[发明专利]一种真随机数发生器及其实现方法

说明书

技术领域

本发明属于信息安全领域，具体涉及一种真随机数发生器及其实现方法。

背景技术

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。

真随机数发生器的实现方案中，直接放大法主要利用了电路中的物理噪声，但电路实现易受到开关噪声、衬底耦合、串扰等非理想因素的影响，使随机性大大降低；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，但其存在对确定性噪声不敏感，响应时间较长等缺点；振荡采样法主要通过D触发器把两个独立的振荡信号进行信号混合，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。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种真随机数发生器及其实现方法，通过提取片上电阻噪声作为随机源，并应用压控振荡器、电荷泵和后处理算法的设计提高了振荡信号的相位噪声，降低了耦合、串扰等非理性因素的影响，从而极大的提高了所生成随机数据的随机特性。

为实现上述目的，本发明提供一种真随机数发生器，其包括：电源模块和电源管理单元(6)，其改进之处在于，所述真随机数发生器包括：时钟单元、采样器(3)、后处理单元(4)和偏置电路(5)；所述电源管理单元(6)将接收到的所述电源模块发出的电源信号进行转换，并用转换的电源信号对所述真随机数发生器进行供电；所述偏置电路(5)将接收到的电源信号传输到所述时钟单元；所述时钟单元、采样器(3)和后处理单元(4)依次连接。

本发明提供的优选技术方案中，所述电源模块包括分别向所述电源管理单元(6)发出电源信号的VDD和VSS。

本发明提供的第二优选技术方案中，所述时钟单元包括：分别与所述采样器(3)连接的第一时钟源(1)和第二时钟源(2)；所述第二时钟源(2)与所述偏置电路(5)连接。

本发明提供的第三优选技术方案中，所述第一时钟源(1)包括：缓冲器(11)和与其连接的环形振荡器(12)，所述缓冲器(11)与所述采样器(3)连接。

本发明提供的第四优选技术方案中，所述第二时钟源(2)包括：噪声源(7)、处理单元(8)、压控振荡器VCO(9)和偏置电路(10)；所述处理单元(8)将接收的所述噪声源(7)的信号进行处理；所述压控振荡器VCO(9)分别接收所述处理单元(8)和所述偏置电路(10)传输的信号；所述压控振荡器VCO(9)与采样器(3)连接。

本发明提供的第五优选技术方案中，所述噪声源(7)包括：第一噪声源(13)和第二噪声源(14)；所述处理单元(8)包括：第一缓冲放大单元(15)、第二缓冲放大单元(16)、电荷泵(17)和滤波器(18)；所述第一噪声源(13)经过所述第一缓冲放大单元(15)进行幅度放大后进入所述电荷泵(17)的UP端口，所述第二噪声源(14)经过所述第二缓冲放大单元(16)进行幅度放大后进入所述电荷泵(17)的DN端口，所述电荷泵(17)的输出端分别与所述滤波器(18)和压控振荡器(9)连接。

本发明提供的第六优选技术方案中，所述电荷泵(17)包括：依次设置的充电电流源(19)、压控开关(21，22)和放电电流源(20)；所述电荷泵(17)的UP端口和DN端口分别控制充电通路的所述压控开关(21)和放电通路的所述压控开关(22)，所述充电电流源(19)和所述放电电流源(20)具有相等的电流信号。

本发明提供的第七优选技术方案中，所述后处理单元(4)，采用48位线性反馈移位寄存器LFSR；所述后处理单元(4)的反馈位异或所述采样器(3)的输出数据；所述LFSR使用多项式f(x)：f(x)＝X48+X7+X5+X4+X2+X+1，多项式f(x)的初始值由采样器(3)产生。

本发明提供的第八优选技术方案中，所述第一时钟源(1)、第二时钟源(2)、所述采样器(3)和所述后处理单元(4)之间采用保护环进行隔离处理。