一种真随机数发生器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及信息安全领域，特别是涉及一种真随机数发生器。
【背景技术】
[0002] 随着计算机技术、通信技术的迅猛发展，尤其是网络的广泛利用，信息已成为当今 社会的一种十分重要的财富。信息化社会不断发展的同时对信息安全的需求也日渐提高， 其中，密码学是信息安全的重要组成部分，而随机数发生器（Random Number Generator, RNG)在密码学领域有着非常重要的作用，是密码系统硬件实现的重要组成部分。具体来说， 随机数发生器用于产生高质量的随机数序列，以对信息本身以及信息的传递过程等进行加 密，实现信息的保密传输。
[0003] 随机数发生器主要分为两种：伪随机数发生器和真随机数发生器。用确定性的算 法计算得到的随机序列叫伪随机数，如果攻击者拥有足够的计算能力，则完全可以预测到 伪随机数的产生规律，一般应用在安全性要求较低的场合。而真随机数是由物理方法产生， 选取了真实世界的自然随机性，因为具有外界无法预知、不可再现等优点，能够更好的保护 信息的传输，广泛应用在信息安全领域。
[0004] 目前，真随机数发生器的实现方案一般有三种：直接噪声放大法、离散时间混沌法 和振荡采样法。其中，振荡采样法由于实现方法简单、数据随机性良好，应用最为广泛，但是 振荡采样法获取得到的随机数随机性较差。为了提高基于振荡采样法的真随机数发生器产 生的随机数的随机性，目前有两种解决途径：一是降低低频时钟信号的频率，但是降低低频 时钟信号频率的同时降低了随机数的速率，无法满足信息传输的实际需求。二是提高高频 时钟信号的频率，但提高高频时钟信号的频率需要增大电路面积以及功耗，增加了生产成 本。
【发明内容】
[0005] 本发明主要解决的技术问题是提供一种真随机数发生器，能够以较低成本以及相 对简单的方式产生随机性高的真随机数信号。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种真随机数发生器， 包括：高频时钟发生器，用于产生高频时钟信号；低频时钟发生器，用于产生低频时钟信 号；噪声加扰电路，用于产生噪声信号，并将噪声信号耦合至低频时钟发生器，低频时钟发 生器输出耦合有噪声信号的低频时钟信号；采样电路，用于根据耦合有噪声信号的低频时 钟信号对高频时钟信号进行采样，以产生真随机数信号。
[0007] 其中，低频时钟发生器输出的耦合有噪声信号的低频时钟信号，其随机性抖动均 方根值为高频时钟信号的时钟周期的5?10倍。
[0008] 其中，噪声加扰电路将噪声信号耦合至低频时钟信号的方式包括直流耦合或交流 耦合。
[0009] 其中，噪声信号为噪声加扰电路中的电阻或器件的热噪声经放大处理后得到的信 号。
[0010] 其中，噪声加扰电路包括运算放大器、第一噪声电阻、第二噪声电阻、第一反馈电 阻和第二反馈电阻，运算放大器的同相输入端与第一噪声电阻的一端连接，第一噪声电阻 的另一端与参考电压连接，运算放大器的反向输入端与第二噪声电阻的一端连接，第二噪 声电阻的另一端分别与第一反馈电阻和第二反馈电阻的一端连接，第一反馈电阻的另一端 与运算放大器的输出端连接，第二反馈电阻的另一端与参考电压连接，参考电压为运算放 大器提供直流偏置电压，运算放大器对第一噪声电阻和第二噪声电阻的热噪声进行放大， 并由运算放大器的输出端输出噪声信号。
[0011] 其中，低频时钟发生器包括振荡器以及向振荡器提供电流的电流镜，噪声加扰电 路输出的噪声信号耦合至电流镜或振荡器。
[0012] 其中，电流镜包括第一 PMOS管、第二PMOS管以及电流源，其中第一 PMOS管的源极 和第二PMOS管的源极与第一工作电压连接，第一 PMOS管的栅极和第二PMOS管的栅极以及 第一 PMOS管的漏极与电流源的正极连接，电流源的负极与第二工作电压连接，第二PMOS管 的漏极与振荡器的输入端连接，噪声加扰电路输出的噪声信号稱合至第一 PMOS管的栅极 和第二PMOS管的栅极、第二PMOS管的漏极或振荡器的输出端。
[0013] 其中，低频时钟发生器进一步包括耦合电容，噪声加扰电路输出的噪声信号经耦 合电容耦合至第一 PMOS管的栅极和第二PMOS管的栅极。
[0014] 其中，低频时钟发生器进一步包括放大器和缓冲器，放大器包括第三PMOS管和 NMOS管，第三PMOS管的源极与第一工作电压连接，第三PMOS管的栅极与电流源的正极连 接，振荡器的输出端与NMOS管的栅极连接，NMOS管的源极与第二工作电压连接，NMOS管的 漏极分别与第三PMOS管的漏极和缓冲器的输入端连接，缓冲器的输出端输出耦合有噪声 信号的低频时钟信号。
[0015] 其中，采样电路为D触发器，D触发器的时钟端接收耦合有噪声信号的低频时钟信 号，D触发器的触发端接收高频时钟信号，D触发器的输出端输出真随机数信号。
[0016] 本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的真随机数发生器由噪声 加扰电路产生噪声信号，并将噪声信号耦合至低频时钟信号，进一步根据耦合有噪声信号 的低频时钟信号对高频时钟信号进行采样，以产生真随机数信号。与现有技术相比，本发明 仅需要增加噪声加扰电路就能产生随机性高的真随机数信号，实现简单且以较低的成本即 能满足实际使用的需求。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明实施例的真随机数发生器的结构示意图；
[0018] 图2是图1中噪声加扰电路的一实施例的电路原理图；
[0019] 图3是图1中低频时钟发生器的一实施例的电路原理图；
[0020] 图4是图1中采样电路的一实施例的电路原理图。
【具体实施方式】
[0021] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022] 图1是本发明实施例的真随机数发生器的结构示意图。如图1所示，真随机数发 生器包括高频时钟发生器11、低频时钟发生器12、噪声加扰电路13和采样电路14。
[0023] 高频时钟发生器11用于产生高频时钟信号，其中高频时钟发生器11可以由环形 振荡器构成。
[0024] 低频时钟发生器12用于产生低频时钟信号，低频时钟信号一般为系统时钟或者 系统时钟经过分频后的时钟信号。同时，由于低频时钟发生器12的器件内部的电子噪声以 及电源、衬底带来的系统噪声，低频时钟发生器12输出的低频时钟信号带有较小的随机性 抖动（Jitter)，具体来说，低频时钟信号的随机性抖动均方根值为高频时钟信号的时钟周 期的1?2倍。
[0025] 噪声加扰电路13与低频时钟发生器12连接，用于产生噪声信号，并将噪声信号耦 合至低频时钟发生器12,低频时钟发生器12输出耦合有噪声信号的低频时钟信号。其中， 噪声信号为噪声加扰电路13中的电阻或器件的热噪声经放大处理后得到的信号。噪声加 扰电路13输出的噪声信号耦合至低频时钟信号的方式包括直流耦合或交流耦合。低频时 钟发生器12输出的耦合有噪声信号的低频时钟信号的随机性抖动均方根值增加至高频时 钟信号的时钟周期的5?10倍。
[0026] 采样电路14分别与高频时钟发生器11和低频时钟发生器12连接，用于根据低频 时钟发生器12输出的耦合有噪声信号的低频时钟信号对高频时钟发生器11输出的高频 时钟信号进行采样，以产生真随机数信号。其中，低频时钟发生器12输出的耦合有噪声信 号的低频时钟信号由于带有较大的随机性抖动，当根据该低频时钟信号对高频时钟信号进 行采样时，采样电路14的输出端将输出随机性很好的真随机数信号。换句话来说，当低频 时钟信号的随机性抖动均方根值越大，也即其相对于高频时钟信号的时钟周期的倍数越高 时，采样电路14输出的真随机数信号的随机性越好。
[0027] 当然，本领域的技术人员可以理解，本发明的真随机数发生器，由于低频时钟信号 的随机性抖动得到了极大的提高，因此，适当地降低高频时钟信号的振荡频率（也即增加 高频时钟信号的时钟周期）也可达到实际应用的需求，而高频时钟信号的振荡频率的降低 将使得电路面积以及功耗得到降低，进而有效地降低真随机数发生器的生产成本。
[0028] 请一并参考图2,图2是图1中噪声加扰电路的一实施例的电路原理图。如图2所 示，噪声加扰电路13包括运算放大器U1、第一噪声电阻R01、第二噪声电阻R02、第一反馈电 阻Rl和第二反馈电阻R2。
[0029] 在本实施例中，运算放大器Ul的同相输入端与第一噪声电阻ROl的一端连接，第 一噪声电阻ROl的另一端与参考电压VREF连接，运算放大器Ul的反向输入端与第二噪声 电阻R02的一端连接，第二噪声电阻R02的另一端分别与第一反馈电阻Rl和第二反馈电阻 R2的一端连接，第一反馈电阻Rl的另一端与运算放大器Ul的输出端连接，第二反馈电阻 R2的另一端与参考电压VREF连接。
[0030] 在本实施例中，参考电压VREF为运算放大器Ul提供直流偏置电压。运算放大器 Ul对第一噪声电阻ROl和第二噪声电阻R02的热噪声进行放大，并由运算放大器Ul的输出 端输出噪声信号VN。优