随机数生成系统以及随机数生成方法技术方案

本发明专利技术涉及随机数生成系统以及随机数生成方法。其中随机数生成系统包括超晶格噪声源、电源模块、量化编码模块、以及输出模块；超晶格噪声源产生随机噪声模拟信号；电源模块与超晶格噪声源电性相连，提供超晶格噪声源自发混沌振荡所需的偏置电压；量化编码模块与超晶格噪声源以及输出模块分别电性相连，将随机噪声模拟信号进行量化编码后生成随机数码流；输出模块输出随机数码流。本发明专利技术能够获得具有真随机性、高质量随机数序列，产生速度可达Gbit/s以上，适于应用在数据加密、密钥管理、安全协议、数字签名、身份认证等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信号处理领域，尤其是关于一种随机数生成系统和随机数生成方法。
技术介绍
随机数生成系统是制密系统和各类密码保密系统中不可缺少的关键部件，它的工作状态直接影响制密系统和各类密码保密系统的可靠性和稳定性，所产生的随机数的质量关系到密码装备对信息的保护强度。真随机性、高质量、高速度是对随机数生成系统生成高质量随机数的三个基本要求。首先，随机数生成系统要具有高质量的噪声源，即要求信号是真随机的。其次，随机数要满足随机性的要求，即能够通过各种参数测试，如频数、序列、扑克、游程和自相关检验等。再者，要求随机数生成系统具有尽可能高的产生随机数的速度。现有的随机数生成方法一般是通过外加可调电源对噪声源进行调节，并使用高速示波器对噪声信号进行采样、存储，然后通过普通GPIBU394等接口传输至电脑中进行量化分析。这种随机数生成方法速度较慢、且需要使用大型的电源、示波器、电脑等，因此不能适应系统低功耗、小型化和现场化的需求。
技术实现思路
因此，本专利技术实施例提供，以克服现有随机数生成技术中存在的问题。具体地，本专利技术实施例提出的一种随机数生成系统，包括超晶格噪声源、电源模块、量化编码模块、以及输出模块；超晶格噪声源产生随机噪声模拟信号；电源模块与超晶格噪声源电性相连，提供超晶格噪声源自发混沌振荡所需的偏置电压；量化编码模块与超晶格噪声源以及输出模块分别电性相连，将随机噪声模拟信号进行量化编码后生成随机数码流；输出模块输出随机数码流。在本专利技术实施例中，上述量化编码模块例如设定有一个门限值，并将随机噪声模拟信号的幅值与门限值进行比较；若幅值大于门限值，则判断为1，若幅值小于门限值，则判断为0，若幅值等于门限值，则交替判断为O或I ;从而将随机噪声模拟信号量化编码成随机数码流。再者，上述随机数生成系统例如进一步可包括分析反馈模块，与量化编码模块及电源模块分别电性相连，用以判断量化编码模块所生成的随机数码流是否达到预设的质量指标，若未达到预设的质量指标，则调整量化编码模块内进行量化编码用的门限值及/或控制电源模块调整提供给超晶格噪声源所需的偏置电压。此外，上述随机数生成系统例如还包括存储模块，分别与量化编码模块和分析反馈模块电性连接，以存储量化编码模块生成的随机数码流。上述电源模块、量化编码模块、存储模块、以及分析反馈模块例如是集成在同一块信号处理芯片上。另外，上述输出模块例如是采用Serdes协议将随机数码流通过串并转换后输出。另外，本专利技术实施例提出的一种随机数生成方法，包括以下步骤施加偏置电压激发超晶格噪声源进行自发混沌振荡以产生随机噪声模拟信号；将随机噪声模拟信号的幅值与门限值进行比较以进行量化编码来产生随机数码流，其中当幅值大于门限值，则判断为 I，幅值小于门限值，则判断为0，若幅值等于门限值，则交替判断为O或I ;以及将随机数码流进行串并转换后输出。在本专利技术实施例中，上述随机数生成方法例如还可包括步骤判断随机数码流是否达到预设的质量指标，若未达到预设的质量指标，则调整门限值及/或偏置电压值。再者，上述在判断随机数码流是否达到预设的质量指标之前，进一步可包括步骤存储随机数码流。此外，上述将随机数码流进行串并转换时例如是基于Serdes协议。本专利技术上述实施例使用超晶格噪声源产生随机噪声模拟信号，超晶格噪声源的带宽可以达到GHz以上，并使用高速量化编码模块对随机噪声模拟信号进行量化编码，再通过串并转化方法实现随机数码流的高速输出，如此随机数码流的产生速度可达GBit/s量级，从而大大提高了随机数码流输出速度。此外，将随机数码流的产生、处理、传输、存储、监控和自调节功能可集成在同一块信号处理芯片上，从而满足了随机数生成系统的低功耗、 小型化和现场化的需求。另外，随机数码流经分析反馈模块分析以后，分析反馈模块可以自动控制调整提供给超晶格噪声源所需的偏置电压和量化编码模块内进行量化编码用的门限值，从而实现对随机数码流质量的实时分析和实时优化调整，能够保证产生高质量的随机数码流。附图说明图I是本专利技术实施例提出的一种随机数生成系统的功能模块示意图2是图I的超晶格噪声源输出的随机噪声模拟信号的波形图3是图I的输出模块将随机数码流进行串并转换的示意图4是本专利技术实施例提出的一种随机数生成方法的步骤流程图。具体实施例方式为更进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本专利技术提出的其具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。有关本专利技术的前述及其他
技术实现思路
、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本专利技术为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本专利技术加以限制。图I是本专利技术实施例提出的一种随机数生成系统的功能模块示意图。图2是图I 的超晶格噪声源输出的随机噪声模拟信号的波形图。图3是图I的输出模块将随机数码流进行串并转换的示意图。请共同参考图I至图3，本实施例的随机数生成系统100包括超晶格噪声源5、输出模块7、以及与超晶格噪声源5及输出模块7分别电性相连的信号处理芯片6。信号处理芯片6上集成与超晶格噪声源5电性相连的电源模块11以及量化编码模块 12。信号处理芯片6上还可以集成分析反馈模块16以及存储模块17，以整合更多的功能， 这样随机数码流的产生、处理、传输、存储、监控和自调节功能集成在同一块信号处理芯片6 上，从而满足了随机数生成系统100的低功耗、小型化和现场化的需求。分析反馈模块164与电源模块11、量化编码模块12以及存储模块17分别电性相连；存储模块17还与量化编码模块12电性相连。如图2所不,是产生的随机噪声模拟信号21。超晶格噪声源5为多自由度变量非线性混沌振荡器件。利用超晶格噪声源5的固态自发混沌振荡特性，超晶格噪声源5可以产生高质量、高带宽的真随机噪声模拟信号21，带宽可以达到GHz以上，从而可以大大提高随机数码流的输出速度。量化编码模块12将随机噪声模拟信号21进行量化编码后生成随机数码流，本实施例中，量化编码模块12是高速的量化编码电路。由于由超晶格噪声源5产生的宽带振荡混沌信号通常无法直接被接收装置直接读取，因此，需要经量化编码模块12将随机噪声模拟信号21进行量化编码。具体地，如图2所示，量化编码模块12将随机噪声模拟信号21 量化编码成随机数码流的过程如下量化编码模块12设定有一个门限值，并将随机噪声模拟信号21的幅值与门限值进行比较；若幅值大于门限值，则判断为1，若幅值小于门限值， 则判断为0，若幅值等于门限值，则交替判断为O或I。量化编码模块12内进行量化编码用的门限值选择的基本依据可以是使量化编码后的随机数码流中0、1的数目基本保持均衡， 并综合考虑随机数码流的其它指标如序列、游程和自相关等指标。输出模块7输出随机数码流。通常情况下，半导体超晶格噪声源5的带宽可以达到GHz以上，产生随机数码流的能力在Gbit/s量级。对于这种高速数码流的传输，输出模块7可以采用Serdes协议将随机数码流通过串并转换后再高速输出。如图3所示，串行形式的随机数码流301经输出模块7基于Serdes协议进行串并转换后形成并行信号303进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄寓洋，李文，张耀辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：