專利名稱：用于提供隨機(jī)比特流的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于提供隨機(jī)比特流的設(shè)備，并且特別地，涉及一種基于抖動(dòng)的振蕩器采樣的設(shè)備。
背景技術(shù)：
對稱和非對稱的密碼算法需要一個(gè)高質(zhì)量隨機(jī)數(shù)量的可用源用于密鑰的生成。隨機(jī)數(shù)字也被用于在授權(quán)協(xié)議中生成提問，用來創(chuàng)建用于隨機(jī)屏蔽的填充位以及使人不理解的值。
即使基于加密安全確定算法的偽隨機(jī)數(shù)生成器(PRNG；PRNG＝偽隨機(jī)數(shù)生成器)可以被用于這些目的，也需要一個(gè)用于算法種子的真實(shí)隨機(jī)的物理源。因?yàn)檫@個(gè)原因，一個(gè)加密的令牌，像一集成電路卡，也必須在其外部設(shè)備中以一真實(shí)隨機(jī)數(shù)生成器(RNG；RNG＝隨機(jī)數(shù)生成器)為主。
高質(zhì)量隨機(jī)源的主要特點(diǎn)是生成比特流的不可預(yù)測性。一個(gè)觀察員甚至攻擊者必須不能計(jì)算出任何關(guān)于該真實(shí)RNG輸出的有用的預(yù)測，即使該RNG的設(shè)計(jì)被告知。
一個(gè)真實(shí)的RNG從像電子噪音或放射性衰退那樣不確定的自然源生成一個(gè)隨機(jī)比特流。事實(shí)上，在一個(gè)集成的執(zhí)行中，類似于熱或者散粒噪聲的電子噪聲源是可以被利用的僅有的隨機(jī)處理。
根據(jù)優(yōu)先權(quán)文件，用于生成隨機(jī)比特流的三種不同技術(shù)可以考慮直接放大噪聲源，抖動(dòng)的振蕩器采樣和離散時(shí)間的渾沌映射。
第一種技術(shù)，噪音源的直接放大，利用一個(gè)通常來自集成寄存器的熱噪音或者來自有源設(shè)備的散粒噪聲來放大。一個(gè)高增益的放大器需要獲得一個(gè)其振幅足夠用于進(jìn)一步處理像與電壓參考值比較和采樣的噪音信號。主要問題在于在噪音放大之后何時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)基于放大率的RNG為一補(bǔ)償電壓。補(bǔ)償必須比標(biāo)準(zhǔn)的噪音偏離小得多以獲得一個(gè)高質(zhì)量的隨機(jī)比特流。噪音放大器的帶寬也是個(gè)問題如果需要一個(gè)快速采樣頻率時(shí)。一個(gè)進(jìn)一步的缺點(diǎn)是來自電源、基板或交叉耦合的內(nèi)部干擾，以及在放大器輸入上其功率電平比隨機(jī)噪音電平更高的外部干擾，如果沒有合適地設(shè)計(jì)技術(shù)被使用的話。結(jié)果，在真實(shí)RNG的輸出上強(qiáng)加周期性模式，由此影響其統(tǒng)計(jì)學(xué)質(zhì)量和不可預(yù)測性。在RNG的集成電路卡的完成過程中主要涉及周期性的模式，由于沒有適合的外部保護(hù)是有用的并且該RNG是被集成在一個(gè)與噪音數(shù)字電路接近的普通的硅襯底上。為了解決該補(bǔ)償問題，在W.T.Holman，J.A.Connelly，以及A.B.Downlatabadi的，“An integrated analog/digital random noisesource(一種集成的模擬/數(shù)字隨機(jī)噪音源)”，1997年6月的IEEE Trans.電路與系統(tǒng)I，第44卷，第6期的521-528頁中，一種低通濾波器被用來抵消在放大器輸出上的補(bǔ)償電壓。所披露的解決方法需要一個(gè)過于大的集成電路區(qū)域，而且，比較器的補(bǔ)償并未明顯消除。在M.Bucci，L.Germani，R.Luzzi，P.Tommasino，A.Trifiletti，M.Varanonuovo的，“A high speed truly IC random number source for SmartCard microcontrollers(一種用于智能卡微控制器的高速真實(shí)IC隨機(jī)數(shù)源)”，IEEE關(guān)于電子、電路和系統(tǒng)的國際聯(lián)盟2002年9月出版的第9期，第239-242頁，以及M.Bucci，L.Germani，R.Luzzi，P.Tommasino，A.Trifiletti，M.Varanonuovo，“A high speed IC random number source for Smart Card microcontrollers(一種用于智能卡微控制器的高速IC隨機(jī)數(shù)源)”，IEEE Trans.2003年11月出版的電子和系統(tǒng)I，第50卷第11期第1377-1380頁，其中公開了一種基于放大的真實(shí)RNG，它的主要特征是沒有使用外部組件和大電容的精確補(bǔ)償歸零系統(tǒng)。
一種基于第二種技術(shù)的真實(shí)RNG，抖動(dòng)的振蕩器采樣，在根本上，包括兩個(gè)自由運(yùn)行的振蕩器和一個(gè)像單獨(dú)的D型觸發(fā)器的采樣元件。來自兩個(gè)振蕩器中更慢一個(gè)的輸出信號從該兩個(gè)振蕩器中更快一個(gè)中采樣輸出，因此生成一個(gè)比特流。最后的比特序列源自這兩個(gè)振蕩器的平均頻率比率以及它們的周期性抖動(dòng)。適當(dāng)?shù)剡x擇頻率比率在統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)測試被應(yīng)用時(shí)會導(dǎo)致看起來更隨機(jī)的比特流，該輸出比特熵由于振蕩器的抖動(dòng)在這種系統(tǒng)中成為僅有的隨機(jī)源。根據(jù)所采用的采樣元件，如果該快速振蕩器的采樣信號表現(xiàn)出一個(gè)不平衡的平均值，按順序這會給在比特流輸出上的一個(gè)不平衡的平均值或者給在比特對比特的相關(guān)性中升高。不管怎樣，這并不是要考慮的主要缺點(diǎn)。然而，像系統(tǒng)時(shí)鐘一樣的周期性干擾可以將該采樣振蕩器同步，因此戲劇性的減少其抖動(dòng)。在M.Bucci，L.Germani，R.Luzzi，P.Tommasino，A.Trifiletti，M.Varanonuovo，“A high speed oscillator-basedtruly radom number source for Cryptographic application s on a Smart Card IC(一種用于在智能卡IC中應(yīng)用密碼的基于振蕩器的高速真實(shí)IC隨機(jī)數(shù)源)”，2003年4月出版的IEEE trans.計(jì)算機(jī)第52卷第4期第403-490頁中，一種基于振蕩器的真實(shí)RNG被公開，其中該采樣振蕩器特征在于在其內(nèi)有放大的噪音源，因此獲得一個(gè)10％的很高的抖動(dòng)至平均周期比率。這提高了隨機(jī)比特流的質(zhì)量，但是是以提高面積和功率為代價(jià)的。
圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)基于RNG的抖動(dòng)振蕩器采樣示意圖。一個(gè)RNG源100包括一個(gè)高頻振蕩器102，一個(gè)低頻振蕩器104，一個(gè)預(yù)分頻器106和一個(gè)采樣器108。采樣器108是一個(gè)D型觸發(fā)器。該高頻振蕩器102生成一個(gè)輸入到采樣器108的快速時(shí)鐘信號110。該低頻振蕩器104生成一個(gè)由該預(yù)分頻器106預(yù)分頻的慢速時(shí)件信號112。該預(yù)分頻器106輸出一個(gè)采樣信號114，該采樣信號114是到該采樣器108的時(shí)鐘輸入的輸入。采樣器108在該采樣信號114的上升沿采集快速時(shí)鐘信號110，并且當(dāng)被采樣時(shí)輸出一個(gè)依賴于該快速時(shí)鐘信號110的采樣狀態(tài)的隨機(jī)位116。在此處，后繼的隨機(jī)位于116作為輸出一個(gè)隨機(jī)比特流122的數(shù)字后處理器120的輸入。
圖2示出了快速時(shí)鐘信號110、慢速時(shí)鐘信號112和采樣信號114的特征，如圖1中所示?？焖贂r(shí)鐘信號110具有周期T快和和占空比d。該慢速時(shí)鐘信號112具有一周期T慢。慢速時(shí)鐘信號112的邊緣包括一個(gè)抖動(dòng)。該采樣信號14從該慢速時(shí)鐘信號112中通過以預(yù)分頻器中定義的因素該對采樣信號112預(yù)分頻而生成。此處該慢速時(shí)鐘信號112通過因素4被預(yù)分頻。由于該采樣信號114是從該慢速時(shí)鐘信號112中生成，因此采樣信號114的邊緣也包括一個(gè)抖動(dòng)。采樣信號114的一個(gè)周期是T采樣而采樣信號114的抖動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是σ(T采樣)。采樣信號114的邊緣和快速時(shí)鐘信號110并不同步。此處快速時(shí)鐘信號110的邊緣在比采樣信號114的邊緣更晚的時(shí)間段t0出現(xiàn)。兩個(gè)自由運(yùn)行的振蕩器102、104(如圖1所示)的頻率跳動(dòng)生成一個(gè)非白的噪音信號。這在特別是其中具有低強(qiáng)度抖動(dòng)的基于標(biāo)準(zhǔn)元件的RNG中尤其是個(gè)問題。然而，如果快速時(shí)鐘信號110的占空比d不平衡的話就得到一個(gè)不平衡的隨機(jī)比特流122。關(guān)于該快速時(shí)鐘信號的相關(guān)抖動(dòng)是很有用的。
所引用的最后一種技術(shù)，基于離散時(shí)間的渾沌映射利用渾沌系統(tǒng)的采樣來生成一個(gè)隨機(jī)比特序列。非線性或分段性線性系統(tǒng)可以示出在適當(dāng)條件下對于它們內(nèi)部參數(shù)的渾沌行為。在渾沌條件下，兩個(gè)任意接近初始的狀態(tài)導(dǎo)致兩個(gè)完全不同的系統(tǒng)演變。因此，隨機(jī)源是在初始狀態(tài)的測量期間的錯(cuò)誤或噪音和在狀態(tài)轉(zhuǎn)變期間中的噪音成分。不幸的是，當(dāng)在一個(gè)物理設(shè)備上完成一個(gè)渾沌系統(tǒng)時(shí)，環(huán)境和程序變化導(dǎo)致能夠使系統(tǒng)離開其渾沌行為的參數(shù)變化，因此根據(jù)周期性的軌道演化?；跍嗐绲恼鎸?shí)RNG請參考T.Stojanovski和L.Kocarev，“Chaos-basedrandom number generators-Part IAnalysis(基于渾沌的隨機(jī)數(shù)生成器——第I部分解析)”，IEEEtrans.，電路和系統(tǒng)，I，第48卷，第3期，第281-288頁，2001年3月出版；以及T.Stojanovski和J.Pihl，以及L.Kocarev，“Chaos-based randomnumber generators-Part IIPracical realization(基于渾沌的隨機(jī)數(shù)生成器——第II部分實(shí)際體現(xiàn))”，IEEE Trans.，電路和系統(tǒng)，I，第48卷，第3期，第382-385頁，2001年3月出版。
由于不同技術(shù)具有不同的優(yōu)點(diǎn)，為了提高所有源的質(zhì)量，在C.S.Petrie，J.A.Connelly的，“A noise-based IC random number generator for applications incryptography(一種用于在密碼學(xué)中應(yīng)用的基于噪音的IC隨機(jī)數(shù)生成器)”，IEEETrans.，電路和系統(tǒng)I，第47卷，第5期，第615-621頁中，2000年5月，提供了采用上述三種RNG技術(shù)混合的真實(shí)RNG。即使由于不同技術(shù)的混合而獲得一個(gè)完全抗決定性干擾的源，，也是很難提供一種用于允許證實(shí)其操作的該系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型。一個(gè)更為有效的解決方法是，整個(gè)來自具有仔細(xì)設(shè)計(jì)的校正或去相關(guān)性算法的該源的比特流的后處理，它表示一些壓縮方式也能被使用。一個(gè)具有提高的統(tǒng)計(jì)學(xué)質(zhì)量的更低速的比特流從一個(gè)高速近隨機(jī)輸入流中通過選擇其熵部分而被生成。
由此可見，這說明，任何隨機(jī)源，即使設(shè)計(jì)得很好，由于帶寬限制、制造容差、老化及溫度漂移或決定性干擾，也只能生成一個(gè)通常在其他比特流之中表現(xiàn)為某一級別的相關(guān)性的比特流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于提供一種高質(zhì)量隨機(jī)比特流得設(shè)備。這個(gè)目的通過用于提供一種如權(quán)利要求1所述的隨機(jī)比特流的設(shè)備來獲得。
本發(fā)明提供一種用于提供隨機(jī)比特流的設(shè)備，包括第一裝置，用于提供一個(gè)時(shí)鐘信號，該時(shí)鐘信號在一個(gè)第一狀態(tài)和一個(gè)第二狀態(tài)之間周期性的切換；第二裝置，用于提供一個(gè)采樣信號，該采樣信號包括采樣邊緣；第三裝置，用于同步該第一和第二裝置，使得采樣信號的采樣邊緣與時(shí)鐘信號的邊緣對準(zhǔn)；第四裝置，用于采樣響應(yīng)于該采樣信號的采樣邊緣的時(shí)鐘信號及用于根據(jù)時(shí)鐘信號的采樣狀態(tài)生成一個(gè)隨機(jī)比特；以及第五裝置，用于去激活響應(yīng)于該采樣邊緣的第一和第二裝置；其中連續(xù)隨機(jī)比特形成一個(gè)隨機(jī)比特流。
本發(fā)明基于尋找采樣信號的采樣邊緣與已采樣的時(shí)鐘信號的邊緣的同步來允許一個(gè)高質(zhì)量隨機(jī)比特流的生成。
根據(jù)發(fā)明的配置，該時(shí)鐘信號和該采樣信號通過激活用于提供時(shí)鐘信號的裝置和用于提供該采樣信號的裝置的激活裝置來同步。這就允許獲得高質(zhì)量隨機(jī)比特流，即使用于提供一個(gè)時(shí)鐘信號的裝置和用于提供一個(gè)采樣信號的裝置表現(xiàn)出很小的抖動(dòng)級別。然而，整個(gè)系統(tǒng)可以在完整的數(shù)字設(shè)計(jì)中完成。這就允許一個(gè)更容易地集成實(shí)現(xiàn)。這樣一種實(shí)現(xiàn)可以有益的被用于集成電路卡的控制器中。該發(fā)明方法進(jìn)一步允許通過同步該用于激活一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的裝置來提供一個(gè)同步的隨機(jī)比特流。這就允許補(bǔ)償用于系統(tǒng)時(shí)鐘的任何干擾。
由于用于提供一個(gè)隨機(jī)比特流的發(fā)明設(shè)備可以通過僅僅使用在任何標(biāo)準(zhǔn)元件庫中可用的數(shù)字門來實(shí)現(xiàn)而不必使用任何模擬電路，因此在不同的技術(shù)上就能花費(fèi)更少的設(shè)計(jì)時(shí)間，獲得更高的產(chǎn)量以及更高的輕便性。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，用于提供一個(gè)時(shí)鐘信號的裝置和用于提供一個(gè)采樣信號的裝置包括一個(gè)數(shù)字環(huán)形振蕩器，以及用于同步的裝置包括一個(gè)延遲線，它們都通過使用數(shù)字門來實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)一個(gè)進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例，該采樣信號的采樣邊緣于該時(shí)鐘信號的邊緣的對準(zhǔn)通過反饋循回路和延遲線來調(diào)整。這就允許提供一個(gè)平衡的隨機(jī)比特流，即使該采樣信號表現(xiàn)與該時(shí)鐘信號相關(guān)的低抖動(dòng)。進(jìn)一步，該反饋回路允許補(bǔ)償在該時(shí)鐘信號和該采樣信號的信號路徑之間的每個(gè)不對稱。由于大約在該時(shí)鐘信號的邊緣執(zhí)行該采樣，該時(shí)鐘信號的一個(gè)不平衡的占空比并不影響所提供的隨機(jī)比特流的平衡。所公開的發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是基于該去激活提供一個(gè)時(shí)鐘信號的裝置和在生成一個(gè)流保證在所提供的隨機(jī)比特流中由于時(shí)鐘信號和采樣信號的脈動(dòng)而沒有轉(zhuǎn)變的隨機(jī)比特之后提供一個(gè)采樣信號的裝置的裝置，。這就接著允許使用轉(zhuǎn)變計(jì)數(shù)作為簡單運(yùn)行時(shí)間測試來檢測該隨機(jī)比特流的質(zhì)量，見如V.Bagini和M.Bucci的，“A design of a reliable true random number generator for cryptographicapplications(用于密碼學(xué)應(yīng)用的可靠真實(shí)隨機(jī)數(shù)生成器的設(shè)計(jì))”，Proc.密碼學(xué)硬件嵌入式系統(tǒng)研討會(CHES99)，在計(jì)算機(jī)科學(xué)1717的會議記錄，Springer_Verlag出版公司，海德堡，德國，1999年出版的204-218頁上以及在E.Trichina，M.Bucci，D.De Seta，和R.Luzzi的，“Supplemental cryptographic hardware for Smart Cards(用于智能卡的補(bǔ)充密碼學(xué)硬件)”，IEEE Micro，21卷，第6期，第26-35頁，2001年11月出版以及在NIST FIPS 140-2，“Security requirements for cryptographicmodules(用于密碼學(xué)模型的安全需要)”，2001年5月出版。


本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例將參照附圖在下面進(jìn)行描述。
圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的隨機(jī)數(shù)生成器源；圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的隨機(jī)數(shù)生成器源的信號特征；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于提供一個(gè)隨機(jī)比特流的設(shè)備的示意圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的用于提供一個(gè)隨機(jī)比特流的設(shè)備的信號特征；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例的用于提供一個(gè)隨機(jī)比特流的設(shè)備的示意圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)講一步的實(shí)施例的用于提供一個(gè)隨機(jī)比特流的設(shè)備的示意圖；圖7示出了一個(gè)基于根據(jù)本發(fā)明一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例的用于提供隨機(jī)比特流的設(shè)備的隨機(jī)數(shù)生成器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖3示出了一個(gè)真實(shí)隨機(jī)數(shù)生成器的優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，該生成器基于一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的用于提供一個(gè)隨機(jī)比特流的設(shè)備300。用于提供一個(gè)隨機(jī)比特流的設(shè)備300包括一個(gè)用于提供一個(gè)時(shí)鐘信號的裝置302，一個(gè)用于提供一個(gè)采樣信號的裝置306以及用于采樣的裝置308。用于提供一個(gè)時(shí)鐘信號的裝置302生成一個(gè)快速時(shí)鐘信號310，它與用于采樣的裝置308相連。用于提供一個(gè)采樣信號的裝置306生成一個(gè)采樣信號314，它與用于采樣的裝置308相連。響應(yīng)于采樣信號314，用于采樣的裝置308根據(jù)采樣結(jié)果采樣快速時(shí)鐘信號310并輸出隨機(jī)比特316。連續(xù)的隨機(jī)比特316形成一個(gè)隨機(jī)比特流。
所示的隨機(jī)數(shù)生成器進(jìn)一步包括一個(gè)用于激活的裝置322，一個(gè)用于去激活的裝置328以及一個(gè)用于確定一個(gè)平均值的裝置330。用于激活的裝置322控制用于提供一個(gè)時(shí)鐘信號的裝置302和用于提供一個(gè)采樣信號的裝置306。用于激活的裝置322輸出一啟動(dòng)信號340和一個(gè)使能信號342。該啟動(dòng)信號340連接到用于提供一個(gè)采樣信號的裝置306而該使能信號342連接到用于提供一個(gè)時(shí)鐘信號的裝置302。響應(yīng)于該使能信號342和該啟動(dòng)信號340，裝置302、306開始生成該快速時(shí)鐘信號310和該采樣信號314。用于提供一個(gè)時(shí)鐘信號的裝置302和用于提供——采樣信號的裝置306通過去激活裝置328而被去激活。因此，用于去激活的裝置328與該采樣信號314相連。響應(yīng)于該采樣信號314，用于去激活的裝置328生成一個(gè)與裝置302、306相連的停止信號346。響應(yīng)于該停止信號346，裝置302、306停止生成快速時(shí)鐘信號310和采樣信號314。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例，該啟動(dòng)信號340和該使能信號342可以被調(diào)整。因此用于確定平均值的裝置330與該隨機(jī)比特流316相連。用于確定平均值的裝置330確定一個(gè)連續(xù)的隨機(jī)比特316的平均值。該裝置330根據(jù)所確定的連續(xù)隨機(jī)比特316的平均值輸出一個(gè)調(diào)整用于激活的裝置322的控制信號348。
圖4示出了如圖3所示的啟動(dòng)信號340、第一時(shí)鐘信號310和采樣信號314的特征，以及如圖5至7所示的完成信號。如圖4中所看到的，采樣信號314響應(yīng)于啟動(dòng)信號314。該采樣信號314具有一時(shí)間段T采樣。在T采樣/2的一半時(shí)間段之后，一個(gè)采樣邊緣470出現(xiàn)。作為該采樣信號314的第一上升沿的該采樣邊緣470與快速時(shí)鐘信號310的邊緣472對準(zhǔn)，該時(shí)鐘信號310周期性的在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間切換?？焖贂r(shí)鐘信號310的采樣邊緣470和邊緣472的對準(zhǔn)通過一個(gè)延遲時(shí)間474而獲得。該延遲時(shí)間472由用于激活的裝置322控制(如圖3所示)并且在這個(gè)時(shí)間，在用于處理一個(gè)采樣信號的裝置306之后，用于提供一個(gè)時(shí)鐘信號的裝置302被激活。因此，獲得邊緣470、472的對準(zhǔn)。
時(shí)鐘信號的采樣邊緣470和邊緣472的對準(zhǔn)避免了頻率脈動(dòng)并且最大化了該隨機(jī)比特流數(shù)據(jù)的質(zhì)量，尤其在存在低抖動(dòng)的采樣時(shí)鐘信號中。而且，一個(gè)不平衡的占空比d不會影響所生成的隨機(jī)比特流316的平衡(如圖3所示)。響應(yīng)于采樣邊緣470來激活完成信號417，該完成信號417指示產(chǎn)生隨機(jī)比特316。
圖5示出了用于提供一個(gè)隨機(jī)比特流的設(shè)備的進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例。用于提供一個(gè)隨機(jī)比特流的設(shè)備500包括一個(gè)用于提供一個(gè)由高頻環(huán)振蕩器502形成的時(shí)鐘信號的裝置，一個(gè)用于提供一個(gè)由一低頻環(huán)振蕩器504形成的采樣信號的裝置，以及一個(gè)可配置的預(yù)分頻器506，一個(gè)用于采樣由采樣元件或采樣器508形成的采樣信號的裝置。該高頻振蕩器502生成一個(gè)快速時(shí)鐘信號510，與圖4中所示的快速時(shí)鐘信號310類似。快速時(shí)鐘信號510與采樣器508相連。該低頻振蕩器504生成一個(gè)慢速時(shí)鐘信號512，與圖2中所示的慢速時(shí)鐘信號112類似。該慢速時(shí)鐘信號512與預(yù)分頻器506相連。預(yù)分頻器506預(yù)分頻慢速時(shí)鐘信號512并且輸出一個(gè)采樣信號514，與圖4中所示的該采樣信號314類似。該采樣信號514與采樣器508相連。該采樣器508響應(yīng)于該采樣信號514的采樣邊緣采樣該快速時(shí)鐘信號510。對應(yīng)于該采樣結(jié)果，該采樣器508輸出一個(gè)隨機(jī)比特516和一完成信號517。該完成信號517指示一新的隨機(jī)比特516的生成并且被用來去激活該振蕩器502、504。該設(shè)備500進(jìn)一步包括一個(gè)用于延遲一啟動(dòng)信號540并輸出一個(gè)使能信號542的裝置524。如圖3所示，用于延遲的該裝置524是用于激活的裝置322的一部分。該啟動(dòng)信號540激活該低頻振蕩器504。該使能信號542激活該高頻振蕩器502。用于延遲的該裝置將啟動(dòng)信號540延遲一個(gè)如圖4所示的延遲時(shí)間，因此該采樣邊緣和快速時(shí)鐘信號510的一個(gè)邊緣對準(zhǔn)。用于延遲的裝置524響應(yīng)于一個(gè)控制信號548。
該控制信號548是一個(gè)反饋回路的一部分，如圖3所示，用于使采樣信號的采樣邊緣和快速時(shí)鐘信號的邊緣同步。結(jié)果，由連續(xù)的隨機(jī)比特流516形成的隨機(jī)比特流被平衡，即使低頻振蕩器504和預(yù)分頻器506表現(xiàn)了與快速時(shí)鐘信號510的一段時(shí)間相關(guān)的低抖動(dòng)。
預(yù)分頻器506的一個(gè)預(yù)分頻因數(shù)可以被調(diào)整以調(diào)整采樣邊緣的抖動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ’(T采樣)。
圖6示出了用于提供一個(gè)隨機(jī)比特流的設(shè)備600的一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例的示意圖。在圖5中已經(jīng)示出和描述的元件用相同的參考數(shù)字標(biāo)記并且在下文不再描述。在這個(gè)實(shí)施例中，低頻環(huán)振蕩器504包括一個(gè)低頻環(huán)振蕩器604和線性反饋移位寄存器605(LFSR；LFSR＝線性反饋移位寄存器)。該低頻環(huán)振蕩器604和該LFSR605與啟動(dòng)信號540相連。對于該LFSR605來說，啟動(dòng)信號540是復(fù)位信號。該LFSR605與慢速時(shí)鐘信號512相連并且被它定時(shí)。該LFSR605與低頻環(huán)振蕩器604相連以干擾該低頻環(huán)振蕩器604的平均周期。
用于延遲啟動(dòng)信號514的裝置524包括一個(gè)第一延遲線624和一個(gè)第二延遲線625。該第一延遲線624是一個(gè)粗延遲線而該第二延遲線625是一個(gè)細(xì)延遲線。為了調(diào)整這兩個(gè)延遲線624、625，如圖5所示的控制信號548包括一個(gè)粗控制信號648和一個(gè)細(xì)控制信號649。
在這個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)用于去激活的裝置通過一個(gè)停止信號646而形成。該停止信號646與采樣信號514相等并且與高頻振蕩器502和低頻振蕩器604相連。為了同步采樣信號514的采樣邊緣和快速時(shí)鐘信號510的邊緣，振蕩器502、604在每次采樣步驟之后停止并且根據(jù)一個(gè)由啟動(dòng)信號540提供的外部命令再次開始?？焖侪h(huán)振蕩器502在一個(gè)與低頻環(huán)振蕩器相關(guān)的延遲時(shí)間之后開始。如圖3所述，該延遲時(shí)間可以通過一個(gè)根據(jù)隨機(jī)比特輸出流516的平均值被反饋回路調(diào)整，這樣獲得邊緣的同步。該延遲時(shí)間可以通過粗控制線624和細(xì)控制線625來調(diào)整，該粗控制線624由粗控制信號648控制，該細(xì)控制線625由該細(xì)控制信號649控制。用兩個(gè)不同紋理的延遲線624、625實(shí)現(xiàn)用于延遲的可調(diào)整裝置524，以用來加速反饋回路的瞬間響應(yīng)。該反饋回路對快速時(shí)鐘信號510的信號路徑和從啟動(dòng)信號540到采樣器508的慢速時(shí)鐘信號512以及采樣信號514的信號路徑之間的每個(gè)不對稱進(jìn)行補(bǔ)償，包括有線傳播延遲時(shí)間和采樣器建立時(shí)間。
為了避免低頻振蕩器604與周期性干擾的同步，慢速時(shí)鐘信號512的平均周期的偽隨機(jī)擾亂被采用。因此，低頻振蕩器504包括LFSR605以實(shí)現(xiàn)一個(gè)偽隨機(jī)擾亂，因此避免與周期性干擾的同步。在一個(gè)新生成的周期的開始，響應(yīng)于啟動(dòng)信號540，LFSR605從其復(fù)位值再次開始。因此，每次在設(shè)備600開始生成一個(gè)新隨機(jī)比特516的時(shí)候，相同的偽隨機(jī)序列都被重復(fù)。結(jié)果，在預(yù)分頻器506之后，由于低頻振蕩器604其自身的抖動(dòng)，在采樣信號514的周期中出現(xiàn)一變化，并且沒有偽隨機(jī)調(diào)制是可見的，因此在隨機(jī)比特流516中沒有引入任何人為的偽隨機(jī)性而解決同步問題。
在上述實(shí)施例中，該低頻振蕩器在啟動(dòng)信號的啟動(dòng)脈沖的下降沿啟動(dòng)，并且快速振蕩器在一個(gè)由一個(gè)反饋回路調(diào)整的延遲之后啟動(dòng)。在采樣信號的一個(gè)第一個(gè)上升沿采樣時(shí)鐘信號之后，生成一個(gè)完成脈沖，兩個(gè)振蕩器都停止并且一個(gè)新的周期再次開始。對于該完成信號，可選擇地是，這兩個(gè)振蕩器與采樣信號相連并且通過該采樣邊緣被去激活。值得注意的是，由于啟動(dòng)脈沖與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，該隨機(jī)比特的生成也將同步。結(jié)果，任何來自時(shí)鐘的干擾在每個(gè)生成期間中都是相同的，并且被反饋回路補(bǔ)償。很明顯，所述的信號可以具有涉及占空比和轉(zhuǎn)變的不同特征。
圖7示出了一個(gè)真實(shí)隨機(jī)數(shù)生成器的頂層結(jié)構(gòu)，該生成器使用如圖6所示的用于提供一個(gè)隨機(jī)比特源的設(shè)備600。該真實(shí)隨機(jī)數(shù)生成器包括四個(gè)主要的功能塊，包括用于提供一個(gè)隨機(jī)比特流的設(shè)備600，一個(gè)頂層控制器(RNGP CTRL)750，一個(gè)延遲線控制器752和一個(gè)后處理寄存器754。該后處理寄存器754與由通過設(shè)備600生成的連續(xù)隨機(jī)比特形成的隨機(jī)比特流516以及完成信號517相連，并且輸出一個(gè)32位的寬隨機(jī)比特輸出字760。該延遲線控制器752與隨機(jī)比特流516以及完成信號517相連，并且生成粗控制信號648和細(xì)控制信號649。該頂層控制器750與完成信號517、隨機(jī)比特流516和以及輸出信號760相連。然而，頂層控制器750輸入一個(gè)請求信號762，并且輸出一個(gè)確認(rèn)信號764，一個(gè)警告信號766以及一個(gè)錯(cuò)誤信號768。
當(dāng)一個(gè)用于新隨機(jī)字760的請求通過請求信號762被接收時(shí)，隨機(jī)比持516由設(shè)備600生成，并且通過后處理寄存器754被處理。頂層控制器750通過啟動(dòng)信號540控制隨機(jī)比特流516的生成，直到到達(dá)在隨機(jī)比特流516上所需要的轉(zhuǎn)變數(shù)字為止。然后確認(rèn)信號764也上升，或者，如果在最大壓縮比率之后檢測到太少的轉(zhuǎn)變，就激活警告信號766。因此，隨機(jī)比特流的壓縮比率根據(jù)隨機(jī)比特流516的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)是動(dòng)態(tài)改變的。這樣一種隨機(jī)比特流516的自適應(yīng)后處理是用于提供一個(gè)隨機(jī)比特流的所公開的設(shè)備600的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。
在上述實(shí)施例中，可以用反相器鏈或緩沖器鏈來替換延遲線。根據(jù)一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例，第二裝置被布置成關(guān)于一個(gè)采樣頻率是可控制的，使得可以在流量和隨機(jī)數(shù)質(zhì)量兩者之間進(jìn)行折衷。這允許采用用于提供一個(gè)隨機(jī)比特流給不同應(yīng)用的設(shè)備。
參考數(shù)字100隨機(jī)數(shù)生成器源102高頻振蕩器104低頻振蕩器106預(yù)分頻器108采樣器110快速時(shí)鐘信號112慢速時(shí)鐘信號114采樣信號116隨機(jī)比特信號120數(shù)字后處理器122隨機(jī)比特流300用于提供隨機(jī)比特流的設(shè)備302用于提供時(shí)鐘信號的裝置306用于提供采樣信號的裝置308用于采樣的裝置310快速時(shí)鐘信號314采樣信號316隨機(jī)比特322用于激活的裝置328用于去激活的裝置330用于確定平均值的裝置340啟動(dòng)信號342使能信號346停止信號348控制信號417完成信號470采樣邊緣
472快速時(shí)鐘信號的邊緣474延遲時(shí)間500用于提供隨機(jī)比特流的設(shè)備502高頻振蕩器504低頻振蕩器506預(yù)分頻器508采樣器510快速時(shí)鐘信號512慢速時(shí)鐘信號514采樣信號516隨機(jī)比特517完成信號524用于延遲的裝置540啟動(dòng)信號548控制信號600用于提供隨機(jī)比特信號的設(shè)備604低頻振蕩器605線性反饋移位寄存器624粗延遲線625細(xì)延遲線646停止信號648粗控制信號649細(xì)控制信號750控制器752延遲線控制器754后處理寄存器760隨機(jī)字762請求信號
764確認(rèn)信號766警告信號768錯(cuò)誤信號
權(quán)利要求
1.一種用于提供隨機(jī)比特流的設(shè)備，包括第一裝置(302；502)，用于提供一個(gè)時(shí)鐘信號(310；510)，該時(shí)鐘信號在一個(gè)第一狀態(tài)和一個(gè)第二狀態(tài)之間周期性的切換；第二裝置(306；504；506)，用于提供一個(gè)采樣信號(314；514)，該采樣信號包括采樣邊緣(470)；第三裝置(322；540)，用于激活該第一和第二裝置，使得采樣邊緣與時(shí)鐘信號的邊緣(472)對準(zhǔn)；第四裝置(308；508)，用于響應(yīng)于該采樣信號的采樣邊緣來采樣時(shí)鐘信號并且根據(jù)時(shí)鐘信號的采樣狀態(tài)生成一個(gè)隨機(jī)比特(316；516)；以及第五裝置(328；646)，用于響應(yīng)于該采樣邊緣來去激活第一和第二裝置；其中連續(xù)隨機(jī)比特形成一個(gè)隨機(jī)比特流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，進(jìn)一步包括一個(gè)用于確定連續(xù)隨機(jī)比特(316)的平均值和根據(jù)該平均值提供一個(gè)控制信號(348，548，648，649)的第六裝置(330；752)，以及其中該第三裝置(322，524)響應(yīng)于用于調(diào)整采樣邊緣(470)與時(shí)鐘信號的邊緣(472)對準(zhǔn)的控制信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其中第一裝置是一個(gè)第一振蕩器(502)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的設(shè)備，其中第二裝置包括一個(gè)用于生成一個(gè)慢速時(shí)鐘信號(512)的第二振蕩器(504)以及一個(gè)用于預(yù)分頻該慢速時(shí)鐘信號和用于生成采樣信號(514)的預(yù)分頻器(506)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的設(shè)備，其中采樣信號(514)的采樣邊緣(470)是抖動(dòng)的并且該采樣邊緣的抖動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ’(T采樣)比時(shí)鐘信號(510)的周期(T快)更小。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的設(shè)備，其中第二振蕩器(504)包括一個(gè)用于擾亂慢速時(shí)鐘信號(512)的平均周期的第七裝置(605)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6之一的設(shè)備，其中第三裝置(322)包括一個(gè)用于延遲用來激活第一裝置(502)的啟動(dòng)信號(540)一個(gè)延遲時(shí)間(474)的延遲線(524)，其中該延遲時(shí)間響應(yīng)于控制信號(548)并且其中該延遲時(shí)間被配置成用于調(diào)整采樣邊緣(470)與時(shí)鐘信號(310)的邊緣(472)對準(zhǔn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的設(shè)備，進(jìn)一步包括用于根據(jù)隨機(jī)比特流(560)的統(tǒng)計(jì)學(xué)質(zhì)量來后處理該隨機(jī)比特流和生成一個(gè)警告信號(766)的裝置(750，754)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8之一的設(shè)備，其中第一和第二振蕩器(502，504)是環(huán)振蕩器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一的設(shè)備，其在數(shù)字門電路中實(shí)現(xiàn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一的設(shè)備，其中第二裝置被布置成一關(guān)于個(gè)采樣頻率是可控制的，使得在流量和隨機(jī)數(shù)質(zhì)量兩者之間進(jìn)行折衷。
全文摘要
一種用于提供隨機(jī)比特流的設(shè)備，包括第一裝置(302)，用于提供一個(gè)時(shí)鐘信號(310)，第二裝置(306)，用于提供一個(gè)采樣信號(314)，第三裝置(322)，用于激活該第一和第二裝置，使得采樣信號(314)的采樣邊緣與時(shí)鐘信號的邊緣對準(zhǔn)。該設(shè)備進(jìn)一步包括一個(gè)第四裝置(308)，用于響應(yīng)于該采樣信號(314)的采樣邊緣來采樣時(shí)鐘信號(310)，以及用于根據(jù)該采樣結(jié)果生成一個(gè)隨機(jī)比特(316)。進(jìn)一步，該設(shè)備進(jìn)一步包括一個(gè)第五裝置(328)，用于去激活第一和第二裝置(302，306)。連續(xù)的隨機(jī)比特形成一個(gè)隨機(jī)比特流。
文檔編號G06F7/58GK1938948SQ200580004037
公開日2007年3月28日 申請日期2005年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月4日
發(fā)明者R·盧茲, M·布西, H·博克, W·德雷克塞爾 申請人:英飛凌科技股份公司