专利名称：一种真随机数发生器的制作方法
技术领域：
本发明属于信息安全芯片的设计领域，特别涉及信息安全芯片加密系统中的真随机数发生器。可以用于产生伪随机算法的随机种子以及为加密算法提供密钥。
背景技术：
安全芯片在信息社会的各个领域中应用广泛，其主要功能包括对用户关键数据的安全存储、加密、解密以及身份识别等。正因为安全芯片中数据的重要性，对安全芯片中数据进行加密成为确保数据安全的重要手段之一。随机数产生器在数据加密系统中有非常重要的应用，它是加密系统中的重要组成部分。现有的随机数产生器是利用特定的随机数算法和种子，通过软件运算产生的随机数序列。虽然其具有一定的随机性，但是由于随机数算法和种子是固定的，所以该随机数序列是可以预知、再现的，实际上为伪随机数序列，无法满足高性能的加密系统。真随机数是利用自然界的噪声源来产生的随机数序列，相比伪随机数序列其具有不可预知，无法重现的特点。真随机数的随机性需要满足一些测试标准，如FIPS-140，AIS31标准。但是，目前产生真随机数的电路，由于实现过程中存在的一些非理想性因素无法实现高性能的真随机数。
发明内容
本发明的目的在于提高加密系统中产生的随机数的随机性能。—种真随机数发生器，其包括偏置电路，用于产生一个第一偏置电压VC2和第二偏置电压VR ；随机数采样时钟电路，用于在偏置电路提供的第一偏置电压VC2控制下产生固定频率的第一采样时钟和第二采样时钟；变频时钟电路，用于在第一采样时钟以及偏置电路提供的第二偏置电压VR的控制下产生一个频率随机变化的变频时钟，变频时钟的频率变化服从均匀分布；随机数采样与后处理电路，用于在第二采样时钟的控制下，对变频时钟CLKv进行采样，得到随机序列，并对随机序列进行熵值累加运算。本发明的具体实施方式
由于将产生的真随机数，经过熵值累加运算提高随机数的随机性能，由此可以更进一步的提高加密系统的安全性，满足高性能的加密系统的需求。
图1为本发明一种真随机数发生器的具体实施方式
的电路示意图。图2为图1所示的电路工作时内部信号波形图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对发明进行详细的说明。如图1所示，本发明一种真随机数发生器的具体实施方式
，其包括变频时钟电路100、随机数采样时钟电路200、随机数采样与后处理电路300和偏置电路400。
偏置电路400,用于产生一个第一偏置电压VC2和第二偏置电压VR ；随机数米样时钟电路200,用于在偏置电路400提供的第一偏置电压VC2控制下产生固定频率的第一采样时钟和第二采样时钟；其中，第二采样时钟可以是第一采样时钟经过分频之后获得的；变频时钟电路100,用于在第一米样时钟以及偏置电路400提供的第二偏置电压VR的控制下产生一个频率随机变化的变频时钟，变频时钟的频率变化服从均匀分布的；随机数采样与后处理电路300，用于在第二采样时钟的控制下，对变频时钟(^&进行采样，得到随机序列，然后再由后处理电路对随机序列进行熵值累加运算。本发明的具体实施方式
由于产生的是一个频率随机变化的变频时钟，且该变频时钟的频率服从均匀分布的，然后对该变频时钟进行采样的到一个随机序列，然后再经过随机数采样与后处理电路300进行熵值累加运算，从而，提高随机数的随机性能，由此也提高了加密系统的安全性，满足高性能的加密系统的需求。优化的，变频时钟电路100可以包括离散混沌映射电路1001、噪声放大电路1002和压控振荡器1003 ；离散混沌映射电路1001，用于在第一采样时钟的控制下产生一个随机变化的电流，电流大小的变化服从均匀分布；噪声放大电路1002，用于在偏置电路400提供的第二偏置电压VR的控制下，将离散混沌映射电路1001输出的随机变化的电流转换成电压，并叠加放大后的电阻热噪声电压，从而产生控制电压VC1 ； 压控振荡器1003，在噪声放大电1002输出的控制电压VC1的控制下，产生一个频率随机变化的变频时钟CLKV。本发明的具体实施方式
在产生真随机数时，同时引入了电阻热噪声放大、抖动时钟采样以及离散混沌映射等多个因素，使得本发明的真随机数发生器可以产生高性能的真随机数，由此可以更进一步的提高加密系统的安全性，满足高性能的加密系统的需求。具体的，偏置电路400可以包括一个恒流源IKEF、电阻Rl和R2、第一运算放大器和第二运算放大器。恒流源IKEF、电阻Rl和R2依次串联连接于电源和地之间；第一运算放大器的正相输入端连接电阻Rl和R2之间的节点；第二运算放大器的正相输入端连接恒流源Ikef与电阻Rl之间的节点；第一运算放大器的输出端输出第一偏置电压VC2，并将其反馈至第一运算放大器的反相输入端；第二运算放大器的输出端输出第二偏置电压VR，并将其反馈至第二运算放大器的反相输入端。具体的，随机数采样时钟电路200可以包括一个压控振荡器2001和一个分频器。压控振荡器2001接收偏置电路400输出的第一偏置电压VC2,压控振荡器2001输出第一采样时钟CLKsh至离散混沌映射电路1001以及分频器，第一采样时钟CLKsh经过分频器分频后输出第二米样时钟CLTKNe。具体的，离散混沌映射电路1001可以包括三个恒流源、三个离散混沌电流映射
1、2、3以及采样保持电路。三个恒流源分别为三个离散混沌电流映射1、2、3提供参考电流，三个离散混沌电流映射1、2、3级联，采样保持电路对离散混沌电流映射3的输出电流进行采样，并将采样电流分两路输出，一路反馈至级联的离散混沌电流映射的输入端，另一路输出至噪声放大电路1002。需要说明的是，本发明的具体实施方式
中采用3个离散混沌电流映射级联，仅仅只是作为一个实施例加以描述，但不构成限定，实际应用中，大于等于两个离散混沌电流映射进行级联即可。噪声放大电路1002可以包括一个运算放大器、两个噪声源电阻R3和R4，两个反馈电阻R5和R6。噪声源电阻R3连接于噪声放大电路1002的运算放大器的正相输入端与偏置电路400第二运算放大器的输出端之间，噪声源电阻R4连接于噪声放大电路1002的运算放大器的反相输入端与离散混沌映射电路1001的输出端之间；反馈电阻R5连接于离散混沌映射电路1001的输出端与偏置电路400的第二运算放大器的输出端之间，反馈电阻R6连接于离散混沌映射电路1001的输出端与噪声放大电路1002的运算放大器的输出端之间。具体的，随机数采样与后处理电路300可以包括T触发器和后处理电路。T触发器接收变频时钟电路100输出的变频时钟CLKV，T触发器的输出端连接后处理电路的输入端，T触发器和后处理电路均接收随机数采样时钟电路200输出的第二采样时钟CLKT·。本发明的具体实施方式
中，离散混沌映射电路1001利用了离散混沌电流映射轨迹不稳定的特点。采样保持电路在第一采样时钟CLKsh的控制下对离散混沌电流映射的输出电流进行采样，再将采样电流反馈给离散混沌电流映射的输入端，实现电流的不断迭代运算，产生一个随机变化的电流离散混沌电流映射在电流迭代运算的过程中对电流值的微扰很敏感，电流的微扰会完全改变迭代运算的未来轨迹，使的电流的变化无法预测。噪声放大电路将离散混沌映射电路输出的随机电流转换成电压，并叠加放大后的电阻热噪声电压产生控制电压VC1，控制压控振荡器1003，产生一个变频时钟CLKV。随机数采样时钟电路200的压控振荡器2001在一个恒定电压VC2的控制下产生一个用于控制离散混沌映射电路1001的固定频率的第一采样时钟CLKsh，其经过1/N分频器分频后，产生用于控制随机数米样与后处理电路300的第二米样时钟CLKthc。随机数米样与后处理电路300在第二采样时钟CLKteic的控制下对变频时钟进行采样，产生随机数序列，再由后处理电路对产生的随机序列进行熵值累加运算，输出最终的真随机数。工作时，其内部波形图如图2所示。其中，离散混沌映射电路1001的离散混沌电流映射的函数表达式Iout = Iikef-K · I1J (4.1)由初始的Iin经过一次运算后得到的Iott作为下一次运算的IIN，不断重复迭代运
算。当系数时，Itm会在
区间内随机分布，且系数K越接近2，Itot在区间内分布越接近均匀分布。级联的每个离散混沌电流映射的函数表达式中的K值不同。其中，从(4.1)式可以看出，对于某一个确定的Ikef和K值，电流Itot将在
内随机变化，这个变化的范围是特定的。噪声放大电路1002中的电阻热噪声电压为Vn，离散混沌映射电路1001输出的采样电流为Iqms，偏置电路400提供的第二偏置电压为VR，比较器工作在闭环放大状态，闭环
、K
增益为G = Y，噪声放大电路1002的输出电压为VCiVC1 = VR+VnG-1CHA0SR6 (4. 2)
由式(4. 2)可以看出噪声放大电路1002的输出电压中叠加了放大后的热噪声和离散混沌电流在反馈电阻上的取样电压。变频时钟电路100中的压控振荡器在噪声放大电路1002输出电压的控制下产生一个频率随机变换且具有较大抖动的变频时钟。偏置电路400输出的偏置电压VR和VC2VR = Ieef(R^R2)(5.1) VC2 = IeefR2(5. 2)令R1+R2 = 2R6, R2 = SR1 则VC1 = (2Ikef-1chaos) R6+VnG(5.3)由Icha0S E [O，Iref],所以变频时钟电路100中压控振荡器的控制电压VC1 e [IeefR6+Vn · G，2IeefR6+Vn · G] (5. 4)随机数采样时钟电路200中压控振荡器的控制电压
权利要求
1.一种真随机数发生器，其特征在于，所述真随机数发生器包括 偏置电路，用于产生一个第一偏置电压VC2和第二偏置电压VR ； 随机数采样时钟电路，用于在所述偏置电路提供的所述第一偏置电压VC2控制下产生固定频率的第一采样时钟和第二采样时钟； 变频时钟电路，用于在所述第一采样时钟以及所述偏置电路提供的所述第二偏置电压VR的控制下产生一个频率随机变化的变频时钟，所述变频时钟的频率变化服从均匀分布；随机数采样与后处理电路，用于在所述第二采样时钟的控制下，对所述变频时钟CLKv进行采样，得到随机序列，并对所述随机序列进行熵值累加运算。
2.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，所述变频时钟电路包括 离散混沌映射电路，用于在所述第一采样时钟的控制下产生一个随机变化的电流，电流大小的变化服从均匀分布； 噪声放大电路，用于在所述偏置电路提供的所述第二偏置电压VR的控制下，将所述离散混沛映射电路输出的随机变化的电流转换成电压，并叠加放大后的电阻热噪声电压，产生控制电压VC1 ； 压控振荡器，在所述噪声放大电输出的控制电压VC1的控制下,产生一个频率随机变化的变频时钟CLKv。
3.根据权利要求2所述的真随机数发生器，其中，所述离散混沌映射电路包括至少两个恒流源、至少两个离散混沌电流映射以及采样保持电路； 所述至少两个恒流源分别为所述至少两个离散混沌电流映射提供参考电流； 所述至少两个离散混沌电流映射级联； 所述采样保持电路对级联的所述至少两个离散混沌电流映射的输出端的电流进行采样，并将所述采样电流分两路输出，一路反馈至所述级联的离散混沌电流映射的输入端，另一路输出至所述噪声放大电路。
4.根据权利要求3所述的真随机数发生器，其中，所述离散混沌映射电路的离散混沌电流映射的函数表达式为 Iout — I Iref-K · Iin 由初始的Iin经过一次运算后得到的I·作为下一次运算的Iin，经过至少两次重复迭代运算，当系数
5.根据权利要求2所述的真随机数发生器，其中，所述噪声放大电路包括一个运算放大器、两个噪声源电阻R3和R4，两个反馈电阻R5和R6 ； 所述噪声放大电路的运算放大器的正相输入端通过所述噪声源电阻R3接收所述偏置电路的第二偏置电压； 所述噪声源电阻R4连接于所述噪声放大电路的运算放大器的反相输入端与所述离散混沌映射电路的输出端之间； 所述反馈电阻R5连接于所述离散混沌映射电路的输出端与所述偏置电路中输出第二偏置电压的输出端之间；所述反馈电阻R6连接于所述离散混沌映射电路的输出端与所述噪声放大电路的运算放大器的输出端之间。
6.根据权利要求5所述的真随机数发生器，其中，所述噪声放大电路中的电阻热噪声电压为Vn，所述离散混沌映射电路输出的采样电流为Iqms，所述偏置电路提供的第二偏置电压为VR，比较器工作在闭环放大状态，闭环增益为G = #，所述噪声放大电路的输出电压为VC115
7.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，所述偏置电路包括一个恒流源IKEF、电阻Rl和R2、第一运算放大器和第二运算放大器； 所述恒流源IKEF、电阻Rl和R2依次串联连接于电源和地之间；所述第一运算放大器的正相输入端连接所述电阻Rl和R2之间的节点；所述第二运算放大器的正相输入端连接所述恒流源Ikef与所述电阻Rl之间的节点；所述第一运算放大器的输出端输出所述第一偏置电压VC2,并将所述第一偏置电压VC2反馈至所述第一运算放大器的反相输入端；所述第二运算放大器的输出端输出所述第二偏置电压VR，并将所述第二偏置电压VR反馈至所述第二运算放大器的反相输入端。
8.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，随机数采样时钟电路包括一个压控振荡器和一个分频器； 所述压控振荡器接收偏置电路输出的第一偏置电压VC2，所述压控振荡器输出第一采样时钟CLKsh至所述变频时钟电路以及分频器，所述第一采样时钟CLKsh经过所述分频器分频后输出所述第二采样时钟CLT·。
9.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，所述变频时钟电路中的压控振荡器和所述随机数采样时钟电路中的压控振荡器具有相同的增益和相同的中心频率。
10.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，所述随机数采样与后处理电路包括T触发器和后处理电路； 所述T触发器接收所述变频时钟电路输出的变频时钟CLKv，所述T触发器的输出端连接所述后处理电路的输入端，所述后处理电路用于对所述随机序列进行熵值累加运算，所述T触发器和所述后处理电路均接收所述随机数采样时钟电路输出的第二采样时钟CLKteng。
全文摘要
一种真随机数发生器包括偏置电路，用于产生两个偏置VC2和VR；随机数采样时钟电路，用于在偏置电压VC2控制下产生固定频率的第一采样时钟和第二采样时钟；变频时钟电路，用于在第一采样时钟以及偏置电压VR的控制下产生一个频率随机变化的变频时钟，变频时钟的频率变化服从均匀分布；随机数采样与后处理电路，用于在第二采样时钟的控制下，对变频时钟CLKV进行采样得到随机序列，并对随机序列进行熵值累加运算。将产生的真随机数经过熵值累加运算，从而提高随机数的随机性能，从而满足高性能的加密系统的需求。
文档编号G06F7/58GK103034472SQ20121053539
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者王新亚, 吴晓勇 申请人:深圳国微技术有限公司