专利名称：生成随机数的方法和随机数发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及生成随机数的方法和随机数发生器，它们可用于信息工业领域，如密码，特别是量子计算机领域。
背景技术：
完全无序并有统一出现频率的随机数可广泛应用于社会现象和物理现象等的数值模拟。随机数还在密码中起重要作用并在信息安全领域受到很大重视。当前，已研究和开发出各种生成随机数的方法，但几乎只能以软件算法生成伪随机数。
当今，用算法生成随机数的方法广泛地应用于一定可靠性水平和高速的随机数生成上。然而，通常由于计算机只能产生确定范围的信息，所以由计算机产生的随机数有给定的周期性。因此，在数值模拟方面不能得到精确的解决方法，在信息安全方面不能实现足够的安全性。从这一观点看，希望有更完全无序的随机数。
近来，随着硬件处理速度和可靠性的发展，已发展了随机数的物理生成方法。例如，已知基于物理现象(如热电子噪声或放射性衰变)生成的随机数有理想的低可预测性。然而，物理生成方法需要大规模设备用于生成随机数。
发明内容
本发明的一个目的是提供以简单和不贵的设备生成更完全无序的随机数的一种新方法以及在此随机数生成方法中利用的随机数发生器。
为实现上述目的，本发明涉及生成随机数的方法，包含如下步骤使一个给定的电子信号发生振荡，定义该电子信号在从振荡开始到稳定振荡的上升时间期间的给定振幅阈值水平，以及利用该阈值水平，基于振幅关系将数“0”或“1”分配给该电子信号的振幅水平，从而生成二值随机数。
本发明还涉及随机数发生器，包含振荡装置，用于使给定电子信号振荡，以及计算装置，用于为该电子信号振幅定义一个阈值水平并利用该阈值水平基于振幅关系将数值“0”或“1”分配给该电子信号的振幅水平。
图1是解释性视图，显示本发明的随机数生成方法的原理。如图1中所示，当一个给定的电子信号振荡时，由于在上升时间振荡电路的随机噪声等原因，该电子信号的频率和振幅变得不稳定。然后，在给定时间段之后的稳定状态，该电子信号的频率和振幅变为稳定的。所以，如果为上升时间的电子信号振幅定义一个给定的阈值水平，并基于该电子信号的阈值水平给振幅水平分配数值“0”或“1”，便能生成二值随机数。
例如，把数值“1”分配给该电子信号的大于该阈值水平的振幅水平，而把数值“0”分配给该电子信号的小于该阈值水平的振幅水平。结果，基于该电子信号振幅的阈值水平，能生成二值随机数。
换言之，根据本发明，只要准备一个发生器，它带有一个振荡器使一个给定电子信号振荡以及一个计算装置用于为该电子信号的振幅定义一个给定的阈值水平并基于该电子信号的阈值水平向振幅水平分配数值“0”或“1”，便能生成完全无序的二值随机数。
为更好地理解本发明，参考附图进行了说明，其中图1是解释性视图，显示根据本发明的随机数生成方法的原理，图2是结构图，显示根据本发明的随机数发生器的一个优选实施例，图3是在图2中所示随机数发生器中的一个优选开关电路的电路图，图4是在图2中所示随机数发生器中的一个优选振荡电路的电路图，图5是解释性视图，显示本发明中生成随机数的原理，图6是解释性视图，显示本发明中不生成随机数的原理，图7是另一个优选振荡电路的电路图，以及图8是再一个优选振荡电路的电路图。
具体实施例方式
将参考附图详细描述本发明。
图2是一个结构图，显示根据本发明的随机信号发生器的一个优选实施例。在图2所示随机信号发生器中，准备了一个开关电路30、一个振荡电路40、一个A/D转换器50以及一个个人计算机60，它们依次连接。一个DC(直流)电源10和一个振荡器20连于开关电路30。
图3是图2所示随机信号发生器中的开关电路30的电路图。在开关电路30中，来自电源10的一个给定DC电压被来自振荡器20的矩形波调制，并输出给振荡电路40。
图4是图2所示随机信号发生器中的振荡电路40的电路图。在振荡电路40中，来自开关电路30的矩形DC电压作为电子信号处于间歇性振荡状态。
来自振荡电路40的电子信号被输入到A/D转换器50，并被转换成基于电子信号振幅量值的数字电压分量。该数字电压分量被输入到个人计算机60中，在那里为该数字电压分量定义了一个给定阈值水平。然后，在个人计算机60中判断数字电压分量和阈值水平之间的量值关系，并根据这量值关系分别向数字电压分量分配数值“0”或“1”。
在初始振荡阶段，即在振荡电路40从振荡起始到稳定振荡的上升时间期间，由于振荡电路40的随机噪声等原因，该电子信号的频率和振幅变得不稳定，如图1中所示那样。所以，如果只利用此上升时间期间的电子信号，则利用阈值水平通过上述计算便能产生数值“0”和“1”的二值随机数。
图5是一个解释性视图，显示本发明中生成随机数的原理。如图5中所示，如果把数值“1”分配给大于该阈值水平的数字电压分量，而把数值“0”分配给小于该阈值水平的数字电压分量，便能生成二值随机数。
在本发明中，开关电路30并不是必不可少的，但它能产生输入振荡电路40的矩形DC电压。根据开关电路30，以这种观点，电子信号能由振荡电路40间隔性振荡，犹如DC电源间隔性接通和断开。结果，能在上升时间期间在振荡电路40中成功地实现随机振荡状态。
在本发明中，希望从振荡电路40输入A/D转换器50的电子信号的频率设定为高于采样频率。如果电子信号的频率设定为低于采样频率，例如，电子信号能转换成如图6所示数字电压分量。在这种情况中，即使为数字电压分量定义了给定的阈值水平并基于阈值水平和数字电压分量之间的量值关系对数字电压分量分配数值“0”或“1”，但数值“0”或“1”在某种程度上连续地生成。结果，不能生成随机数。
随着采样频率增大，能以高速度生成预期的随机数，于是，如果能通过调节图3中振荡电路40的电容和电感以增大电子信号的频率，便能以高速度稳定地生成二值随机数。
虽然是参考上述举例详细描述了本发明，但本发明不限于上述公开的内容，可做出每种改变和修改而不脱离本发明的范围。例如，为了得到矩形DC电压，虽然利用了图3中所示开关电路30，但也可以利用其他已知的装置。再有，作为电子信号的振荡装置，虽然利用了图4中所示振荡电路40，但也可以利用其他已知的装置。
例如，可以利用数字型振荡电路，以代替图4中所示模拟型振荡电路40。图7是不稳多谐振荡器型振荡电路40的电路图。当矩形DC电压从开关电路30输入到不稳多谐振荡器型振荡电路40时，来自振荡电路40的一个电子信号间歇性振荡。所以，如果电子信号从振荡电路40输出并输入到A/D转换器50和个人计算机60，则基于上述计算，该电子信号的数字电压分量被转换成数值“0”或“1”，从而能生成预期的二值随机数。
在本发明中，可以利用两个不稳多谐振荡器。这种情况中，一个用作开关电路，另一个用作振荡电路。这两个不稳多谐振荡器能造在同一个芯片上，该芯片能安装在个人计算机60中。
图8是利用数字集成电路(IC)的LC型振荡电路40的电路图。在图8所示振荡电路40中安装了四个数字IC，在左侧IC1-IC3中的AND(与)电路的输入端被短路，振荡电路40构成为正反馈LC电路。当矩形DC电压从开关电路30输入到振荡电路40中时，由振荡电路40产生间歇性振荡的电子信号。在右侧IC4中的AND电路起缓存器的作用，来自振荡电路40的电子信号从IC4输出。然后，该电子信号输入到A/D转换器50和个人计算机60中。基于上述计算，电子信号的数字电压分量被转换成数值“0”或“1”，于是能生成预期的二值随机数。
与使用图7所示不稳多谐振荡器振荡电路相比，使用如图8所示LC振荡电路能降低随机数发生器的总成本，因为没有使用高成本晶体管。
当采用如图7或图8所示数字振荡电路40时，可以去掉A/D转换器50。所以，电子信号从振荡电路40直接输入到个人计算机60。如果对图7和图8所示数字振荡电路40添加一个二极管，则能改善电子信号在上升时间期间的波形。
如上所述，根据本发明，能提供利用简单和不贵的设备生成更完全无序的随机数的一种方法以及在此随机数生成方法中利用的随机数发生器。
权利要求
1.生成随机数的方法，包含如下步骤使一个给定的电子信号发生振荡，在从振荡开始到稳定振荡的上升时间期间为所述电子信号的振幅定义一个给定的阈值水平，以及利用所述阈值水平，基于振幅关系，对所述电子信号的振幅水平分配数值“0”或“1”，从而生成二值随机数。
2.如权利要求1中定义的随机数生成方法，这里所述电子信号由给定的振幅电路造成振荡。
3.如权利要求2中定义的随机数生成方法，这里一个矩形电压从一给定的开关电路输入到所述振荡电路。
4.如权利要求2中定义的随机数生成方法，这里所述电子信号在由所述振荡电路造成振荡之后在给定的A/D转换器中被转换。
5.如权利要求4中定义的随机数生成方法，这里所述电子信号的频率被设定为高于采样频率。
6.一种随机信号发生器，包含振荡装置，用于使给定电子信号振荡，以及计算装置，用于为所述电子信号的振幅定义一个阈值水平并利用所述阈值水平基于振幅关系将数值“0”或“1”分配给该电子信号的振幅水平。
7.如权利要求6中定义的随机信号发生器，这里所述振荡装置包括一个给定的振荡电路。
8.如权利要求6中定义的随机信号发生器，进一步包含一个矩形波发生装置位于所述振荡装置的前面。
9.如权利要求8中定义的随机信号发生器，这里所述矩形波发生装置包括一个开关电路。
10.如权利要求6中定义的随机数发生器，进一步包含一个A/D转换器位于所述振荡装置的后面和所述计算装置的前面。
全文摘要
在从振荡开始到稳定振荡的上升时间期间，由振荡装置使一个电子信号振荡并输入到A/D转换器中。然后，该电子信号基于其振幅的量值被转换成数字电压分量。该数字电压分量被输入到个人计算机中，个人计算机为该数字电压分量定义一个阈值水平。在该个人计算机中判断该阈值水平和数字电压分量之间的量值关系，并基于该量值关系将数值“0”或“1”分配给数字电压分量，从而产生二值随机数。
文档编号G06F7/58GK1506803SQ03152409
公开日2004年6月23日 申请日期2003年7月30日 优先权日2002年7月30日
发明者齐藤义明 申请人:新潟大学, 新 大学