基于电阻噪声处理的真随机数发生器制造技术

本实用新型专利技术属于真随机数发生器领域，具体涉及一种基于电阻噪声处理的真随机数发生器。其包括第一时钟源、第二时钟源、采样器、后处理单元、偏置电路和电源管理单元，第一时钟源和第二时钟源的输出端均与采样器的输入端相连，采样器的输出端与后处理单元相连，电源管理单元与偏置电路的输入端相连并为整个发生器供电，偏置电路的输出端与第二时钟源相连。该真随机数发生器通过引入电荷泵的设计，极大的降低了耦合、串扰等非理性因素的影响，通过提取噪声信号驱动压控振荡器（ＶＣＯ）的结构生成具有较大相位噪声的振荡信号，并运用后处理算法进一步增强了系统的随机特性。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于真随机数发生器领域，具体涉及一种基于电阻噪声处理的真随机 数发生器。
技术介绍
在现代信息安全技术中，密码技术 应用日益广泛，其中用于通讯双方加密、解密的 密钥尤为关键，而密钥一般都是由随机数发生器(Random Number Generator，RNG)产生的。 因此，随机数发生器的性能直接决定了密钥的安全性，亦即决定了密码系统的安全性。随机数发生器可分为伪随机数发生器(PRNG)和真随机数发生器(TRNG)。伪随机 数是由种子和一定的数学算法产生的，其序列周期长度有限，随机性较差，是可以预测的， 一般应用在安全性不高的场合；真随机数是由物理方法产生的，选取了真实世界的自然随 机性，因而具有随机性好，不可预测等优点，被广泛应用于信息安全领域。目前真随机数发生器的实现方案一般有三种直接放大法、振荡采样法、离散时间 混沌法。直接放大法主要利用了电路中的物理噪声，但其易受到开关噪声、衬底耦合、串扰 等非理想因素的影响，使其随机性大大降低；离散时间混沌法利用混沌电路的不可预测性 及对初始条件敏感的依赖性产生随机数，但其对确定性噪声不敏感，响应时间较长；振荡采 样法通过D触发器把两个独立的振荡信号进行数字混合，但要获得较好的随机性，要求采 样时钟具有较大的相位噪声。本技术提供一种真随机数发生器，它通过引入电荷泵的设计，极大的降低了 耦合、串扰等非理性因素的影响，通过提取噪声信号驱动压控振荡器(VCO)的结构生成具 有较大相位噪声的振荡信号，并运用后处理算法进一步增强了系统的随机特性。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺陷，本技术的目的在于提供一种极大降低耦合、 串扰等非理性因素影响的基于电阻噪声处理的真随机数发生器。为此，本技术是通过下述技术方案来实现的一种基于电阻噪声处理的真随机数发生器，其改进之处在于该发生器包括第一 时钟源、第二时钟源、采样器、后处理单元、偏置电路和电源管理单元，所述第一时钟源和第 二时钟源的输出端均与采样器的输入端相连，所述采样器的输出端与后处理单元相连，所 述电源管理单元与偏置电路的输入端相连并为整个发生器供电，所述偏置电路的输出端与 第二时钟源相连。本技术较优选的技术方案为所述第一时钟源包括缓冲器和环形振荡器，所 述环型振荡器与缓冲器的输入端相连，所述缓冲器的输出端与采样器的输入端相连。本技术更优选的技术方案为所述第二时钟源包括噪声源、处理单元、压控振 荡器和偏置电路，所述噪声源包括第一噪声源和第二噪声源，所述处理单元包括第一缓冲 放大单元、第二缓冲放大单元、电荷泵和滤波器，所述第一噪声源经过第一缓冲放大单元进行幅度放大后进入电荷泵的UP端口，所述第二噪声源经过第二缓冲放大单元进行幅度放 大后进入电荷泵的DN端口，所述电荷泵的输出端与压控振荡器相连，电荷泵与压控振荡器 之间连接有一滤波器，所述偏置电路的输出端与压控振荡器相连，所述压控振荡器的输出 端与采样器的输入端相连。本技术更优选的技术方案为所述后处理单元采用48位线性反馈移位寄存ο本技术更优选的技术方案为所述第一时钟源、第二时钟源、采样器和后处理 单元之间采用保护环进行隔离处理。本技术的有益效果是1、本技术中，采用基于电阻噪声的产生机制，实现了真随机数发生器；2、本技术中相位噪声较大的第二时钟源对较高频的第一时钟源进行采样，实 现了较好的随机特性；3、本技术通过采用保护环将整个发生器进行了合理的布图设计，减小了耦 合、串扰等非理想因素的影响，减小了所生成随机数与外界因素的相关性，增大了其与电阻 噪声的相关性，提高了随机特性；4、本技术中的第二时钟源通过对两路电阻噪声信号处理的方式消除了耦合 带来的影响，提高了随机数的方差特性；5、本技术中的后处理单元结构简单，非常适合于集成电路硬件实现，运行速 度快，可产生具有良好统计性质的序列。附图说明图1是本技术发生器的整体结构示意图；图2是本技术发生器的具体结构示意图；图3是第二时钟源中处理单元的结构示意图；图4是电荷泵的原理图；图5是后处理单元的原理图；其中，1-第一时钟源(CLKl)，2-第二时钟源(CLK2)，3_采样器，4_后处理单元， 5-偏置电路，6-电源管理单元，7-噪声源，8-处理单元，9-压控振荡器(VCO)，10-偏置电 路，11-缓冲期，12-环形振荡器，13-第一噪声源，14-第二噪声源，15-第一缓冲放大单元， 16-第二缓冲放大单元，17-电荷泵，18-滤波器，19-充电电流源，20-放电电流源，21-充电 通路的压控开关，22-放电通路的压控开关。具体实施方式以下结合附图对本技术的真随机数发生器做进一步详细的说明。本技术的真随机数发生器的结构如附图1所示，包括第一时钟源1、第二时钟 源2、采样器3、后处理单元4、偏置电路5和电源管理单元6，第一时钟源1和第二时钟源2 的输出端均与采样器3的输入端相连，所述采样器的输出端与后处理单元4相连，所述电源 管理单元6与偏置电路5的输入端相连并为整个发生器供电，所述偏置电路5的输出端与 第二时钟源2相连。端口 Enable是TRNG (真随机数发生器)的使能信号，控制TRNG的工作状态；端口 VDD、VSS是系统的电源信号；端口 TRNG_0UT是系统产生的真随机数序列的输出信号。总体 TRNG系统由第一时钟源1、第二时钟源2、采样器3、后处理单元4、偏置电路5、电源管理模 块6组成。其中，第一时钟源1主要产生一路高频的时钟信号，第二时钟 源2产生一路相位 噪声较大的低频时钟信号，采样器3实现两路时钟信号的数字混合并生成具有一定随机度 的真随机数，后处理单元4对采样器3生成的随机数进行处理，以进一步增强其随机特性； 电源管理单元6主要负责电压转换并给整个系统供电，偏置电路5为第二时钟源2提供偏 置电压。为减小模块间的串扰、耦合，提高系统的随机性，物理设计时按照附图2所示方式 进行布图。将整个系统分为四部分，分别为一 )由噪声源7、处理单元8、压控振荡器9和偏置电路10组成的第二时钟源2 ；二)由环型振荡器12和缓冲器11组成的第一时钟源1 ；三)采样器3;四)后处理单元4 ；布图时四个部分之间运用保护环(Guard Ring，如虚线所示)进行隔离处理。其 中，第一时钟源1和第二时钟源2在芯片中的摆放位置尽可能远(附图2中处于对角线上)， 并对第二时钟源2中的压控振荡器9作另外的隔离处理(如虚线所示)。本技术中，第一时钟源1主要用于产生频率较高的时钟信号，作为采样器3的 数据信号，是由环形振荡器12和缓冲器11来实现的。环型振荡器12与缓冲器11的输入 端相连，缓冲器11的输出端与采样器3的输入端相连。本技术中，第二时钟源2主要用于产生频率较低、相位噪声较大的时钟信号， 作为采样器3的采样时钟信号。其结构如附图3所示，由第一噪声源13、第二噪声源14、第 一缓冲放大单元15、第二缓冲放大单元16、电荷泵17、滤波器18及压控振荡器9组成。其 中，第一噪声源13和第二噪声源14均取自CMOS工艺中电阻产生的噪声信号，分别经过第 一缓冲放大单元15和第二缓冲放大单元16进行幅度放大，放大后的两路噪声信号分别进 入电荷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电阻噪声处理的真随机数发生器，其特征在于：该发生器包括第一时钟源（１）、第二时钟源（２）、采样器（３）、后处理单元（４）、偏置电路（５）和电源管理单元（６），所述第一时钟源（１）和第二时钟源（２）的输出端均与采样器（３）的输入端相连，所述采样器的输出端与后处理单元（４）相连，所述电源管理单元（６）与偏置电路（５）的输入端相连并为整个发生器供电，所述偏置电路（５）的输出端与第二时钟源（２）相连。

【技术特征摘要】
一种基于电阻噪声处理的真随机数发生器，其特征在于该发生器包括第一时钟源(1)、第二时钟源(2)、采样器(3)、后处理单元(4)、偏置电路(5)和电源管理单元(6)，所述第一时钟源(1)和第二时钟源(2)的输出端均与采样器(3)的输入端相连，所述采样器的输出端与后处理单元(4)相连，所述电源管理单元(6)与偏置电路(5)的输入端相连并为整个发生器供电，所述偏置电路(5)的输出端与第二时钟源(2)相连。2.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于所述第一时钟源(1)包括缓 冲器(11)和环形振荡器(12)，所述环型振荡器(12)与缓冲器(11)的输入端相连，所述缓 冲器(11)的输出端与采样器⑶的输入端相连。3.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于所述第二时钟源(2)包括噪 声源(7)、处理单元(8)、压控振荡器(9)和偏置电路(10)，所述噪声源(7)包括第一噪...

【专利技术属性】
技术研发人员：原义栋，张海峰，张喆，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]