一种基于环形振荡器和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路

本发明涉及集成电路设计以及信息安全领域，具体是一种基于环形振荡器输出抖动和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路。

背景技术：

1、真随机数发生器是一种利用物理过程中的随机性来生成随机数的设备。与传统的伪随机数生成器不同，真随机数发生器的输出基于物理现象或过程，这些现象或过程具有固有的随机性，如测量大气噪声、放射性衰变或电子器件中的噪声等。因此，真随机数发生器要求采用可靠的熵源并且生成的序列应该具有较高的不可预测性。早在1955年，rand公司就成功创造了首个真随机数发生器，这标志着真随机数发生技术开始进入实际应用阶段。在应用领域方面，真随机数发生器的重要性日益凸显。在密码学中，随机数用于生成密钥、初始化向量等，其不可预测性增强了密码系统的安全性。在加密通信和网络安全领域，随机数用于保护数据在传输和存储过程中的安全。

2、传统的真随机数发生器基于一种熵源生成随机序列并且依靠复杂的后处理模块去降低熵源存在的内在缺陷或偏置，然而，采用一种熵源的设计容易受到外界的攻击而被破解，降低安全性。如仅采用环形振荡器作为熵源的电路设计会受到电源电压和电磁干扰等确定性因素的干扰从而导致保密性较差。此外，后处理模块的使用在增大电路规模的同时也会降低随机数的生成速率。如基于冯诺依曼的后处理模块会将输出频率降低为原有频率的1/4。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于环形振荡器输出抖动和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路，基于两种互补的信号作为熵源，降低了生成的随机数被破解的可能性，且省去了后处理模块，对节省电路规模、降低能耗、增加随机数的鲁棒性等方面具有重要意义。

2、为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于环形振荡器输出抖动和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路，包括：

3、环形振荡器熵源提取模块，用于提取环形振荡器的随机抖动作为熵源之一；

4、随机电报噪声熵源提取模块，用于提取随机电报噪声作为熵源之二；

5、串行转并行模块，输入端分别连接环形振荡器熵源提取模块、随机电报噪声熵源提取模块的输出端，用于接收环形振荡器熵源提取模块、随机电报噪声熵源提取模块提取的串行随机抖动信号、串行随机电报噪声信号，并将串行随机抖动信号、串行随机电报噪声信号转换为并行随机抖动信号、并行随机电报噪声信号；

6、直接频率合成器模块，输入端连接串行转并行模块的输出端，用于接收串行转并行模块输出的并行随机抖动信号、并行随机电报噪声信号作为其频率控制字或相位控制字，根据输入信号输出高低电平信号；

7、异或选通模块，输入端连接直接频率合成器的输出端，用于对直接频率合成器的输出信号进行异或选通生成真随机数。

8、进一步的，直接频率合成器模块中每个直接频率合成器包括同步寄存器i、相位累加器、相位累加寄存器、同步寄存器ii和累加器ii，同步寄存器i的输入端连接频率控制字，同步寄存器i的输出端通过相位累加器连接相位累加寄存器的输入端，相位累加寄存器的输出端连接至累加器ii的一个输入端，同步寄存器ii的输入端连接相位控制字，同步寄存器ii的输出端连接累加器ii的另一个输入端，累加器ii的输出端连接至波形数据表的地址端，波形数据表存储二进制数据，波形数据表根据地址端的数据输出相应的二进制高低电平信号；时钟信号分别连接同步寄存器i、相位累加寄存器、同步寄存器ii的时钟端，频率控制字、相位控制字与并行随机抖动信号、并行随机电报噪声信号一一对应或者交叉对应。

9、进一步的，直接频率合成器模块包括多个并行设置的直接频率合成器。

10、进一步的，环形振荡器熵源提取模块包括多个环形振荡链和异或单元，每个环形振荡链由数个首位相连的反相器组成，每个环形振荡器的输出均连接至异或单元，多个环形振荡器的输出经异或后产生一路信号。

11、进一步的，随机电报噪声熵源提取模块包括依次连接的随机电报噪声器件、电流放大电路、电压跟随器、迟滞比较器和电压比较器。

12、进一步的，随机电报噪声熵源提取模块还包括去偏置电路，去偏置电路为一个d触发器，d触发器的时钟输入端连接电压比较器输出的数字化的随机电报噪声信号，d触发器的信号输入端连接d触发器的反相输出端，d触发器的输出端为后级提供高低电平均匀的随机电报噪声信号。

13、进一步的，串行转并行模块输出的并行数据的位数大于或者等于直接频率合成器频率及相位控制字的位数。

14、进一步的，随机电报噪声器件为晶体管或忆阻器，随机电报噪声器件的驱动电压范围在0.1v~1v，输出电流范围在50na~500na，输出电流跳变幅度占总电流大小的比例范围在0.1%~5%。

15、进一步的，随机电报噪声熵源提取模块由直流电源驱动。

16、进一步的，异或选通模块包括一个异或单元和一个由d触发器组成的选通单元，异或单元的输入连接至直接频率合成器模块的多输出，异或单元的输出连接至d触发器的信号输入端，d触发器的时钟输入端连接至时钟信号，d触发器输出真随机数信号。

17、本发明的有益效果：本发明通过提取随机电报噪声和环形振荡器的随机抖动并数字化，将这两种熵源所产生的序列作为直接数字合成器的相位及频率控制字使多路直接数字合成器的输出为时变频率和相位的信号，再将这几路信号进行异或选通即可得到最后输出。采用两种熵源在很大程度上降低了生成的随机数被破解的可能性。通过多路熵源信号混合的控制直接频率合成器的频率和相位控制字构建复杂的映射关系，且省去了后处理模块。对节省电路规模、降低能耗、增加随机数的鲁棒性等方面具有重要意义。

技术特征：

1.一种基于环形振荡器和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的基于环形振荡器和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路，其特征在于：直接频率合成器模块中每个直接频率合成器包括同步寄存器i、相位累加器、相位累加寄存器、同步寄存器ii和累加器ii，同步寄存器i的输入端连接频率控制字，同步寄存器i的输出端通过相位累加器连接相位累加寄存器的输入端，相位累加寄存器的输出端连接至累加器ii的一个输入端，同步寄存器ii的输入端连接相位控制字，同步寄存器ii的输出端连接累加器ii的另一个输入端，累加器ii的输出端连接至波形数据表的地址端，波形数据表存储二进制数据，波形数据表根据地址端的数据输出相应的二进制高低电平信号；时钟信号分别连接同步寄存器i、相位累加寄存器、同步寄存器ii的时钟端，频率控制字、相位控制字与并行随机抖动信号、并行随机电报噪声信号一一对应或者交叉对应。

3.根据权利要求2所述的基于环形振荡器和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路，其特征在于：直接频率合成器模块包括多个并行设置的直接频率合成器。

4.根据权利要求1所述的基于环形振荡器和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路，其特征在于：环形振荡器熵源提取模块包括多个环形振荡链和异或单元，每个环形振荡链由数个首位相连的反相器组成，每个环形振荡器的输出均连接至异或单元，多个环形振荡器的输出经异或后产生一路信号。

5.根据权利要求1所述的基于环形振荡器和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路，其特征在于：随机电报噪声熵源提取模块包括依次连接的随机电报噪声器件、电流放大电路、电压跟随器、迟滞比较器和电压比较器。

6.根据权利要求5所述的基于环形振荡器和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路，其特征在于：随机电报噪声熵源提取模块还包括去偏置电路，去偏置电路为一个d触发器，d触发器的时钟输入端连接电压比较器输出的数字化的随机电报噪声信号，d触发器的信号输入端连接d触发器的反相输出端，d触发器的输出端为后级提供高低电平均匀的随机电报噪声信号。

7.根据权利要求1所述的基于环形振荡器和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路，其特征在于：串行转并行模块输出的并行数据的位数大于或者等于直接频率合成器频率及相位控制字的位数。

8.根据权利要求1所述的基于环形振荡器和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路，其特征在于：随机电报噪声器件为晶体管或忆阻器等，随机电报噪声器件的驱动电压范围在0.1v~1v，输出电流范围在50na~500na，输出电流跳变幅度占总电流大小的比例范围在0.1%~5%。

9.根据权利要求1或8所述的基于环形振荡器和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路，其特征在于：随机电报噪声熵源提取模块由直流电源驱动。

10.根据权利要求1所述的基于环形振荡器和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路，其特征在于：异或选通模块包括一个异或单元和一个由d触发器组成的选通单元，异或单元的输入连接至直接频率合成器模块的多输出，异或单元的输出连接至d触发器的信号输入端，d触发器的时钟输入端连接至时钟信号，d触发器输出真随机数信号。

技术总结本发明涉及集成电路设计以及信息安全领域，具体是一种基于环形振荡器输出抖动和随机电报噪声的双熵源真随机数发生器电路。通过提取随机电报噪声和环形振荡器的随机抖动并数字化，将这两种熵源所产生的序列作为直接数字合成器的相位及频率控制字使多路直接数字合成器的输出为时变频率和相位的信号，再将这几路信号进行异或选通即可得到最后输出。采用两种熵源在很大程度上降低了生成的随机数被破解的可能性。通过多路熵源信号混合的控制直接频率合成器的频率和相位控制字构建复杂的映射关系，且省去了后处理模块。对节省电路规模、降低能耗、增加随机数的鲁棒性等方面具有重要意义。技术研发人员：詹学鹏,刘毅智,吴一凡,桑鹏鹏,武继璇,陈杰智受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10