[发明专利]随机数发生器

说明书

技术领域

该项发明涉及用于产生随机数的电路装置，尤其是用于集成电路上的随机数发生器的电路装置。

背景技术

在科学技术的许多领域中，随机数的产生极为重要。例如，随机数可用于在统计学和加密领域中的大量应用中。很显然，密码系统在数据网络传播过程以及相关的安全问题中越来越重要。因此，自动产生随机数就形成了电气工程和电子学中、尤其是数据处理中的一个重要的领域。随机数的产生及随机数的质量都很重要。不是所有的方法都能产生具有同等“随机”特性的随机数。相反，当分析大量由特定的随机数发生器所产生的随机数时，通常有能发现一些导致偏离所产生数字的理想、随机分布的模式。随机数质量的测度是随机数的熵，正如香农(Shannon)在《通信中的数学理论》(A Mathematical Theoryof Communication)一文中(《贝尔系统技术杂志》，第27卷，第379页，1948年(The Bell System Techncal Journal，vol.27，p.379(1948))所描述的那样。

在现有技术中，产生随机数较有名的方法是，用另一频率低得多的信号对高频信号进行采样。这些信号从而在特定的输出上显示为电压，并且在两个幅值之间以特定的速率来回振荡。采样在被提供这两种信号的特殊电路中进行。这时候，总是用第二信号的波形图上的特定点，以便确定第一信号被采样的瞬间，也就是说确定该信号的值(比如电压值)并将它转化为一个数字值。

在数字电路中，在取值为0或1的情形下最简单。比如，当采样瞬间，第一信号的波形处于平均值(比如0伏)之上，就当作“1”；如果波形在平均值之下，就当作“0”。同样有可能对所得到的值进行连续转换，从而得到一个模拟数字(比如以毫伏表示的电压，可以按1∶1的比例转换成数字)。

在两个信号的波形理想的情形下，有可能观察到幅值采样的周期性，这是由于两个频率的比率所造成的。从而，利用这样的随机数发生器不会产生真正的随机数。但是在实践中，两个信号的波并不是理想的波形，而且在微电子领域中，由于有无法避免的噪声，将导致波形的不精确。这可能有这样的效果，即，如果信号之间是相互独立的，只需要两个预先给定的简单频率，实现功能良好的随机数发生器。

但实际上，这种简单的随机数发生器不能满足对待产生的随机数的较高质量要求。这是因为，对于随机数的质量来说，两个信号的相互独立是至关重要的。这意味着，其中一个信号不能通过电路中的电信号途径影响到另一个信号，因此这两个信号要以一种特定的方式相互耦合。

按照上述原则，在一个称作为物理噪声产生器的装置中，比如试图借助具有非恒定频率的被采样信号，也就是第一信号，解决两个信号的相互独立问题。这种要采样的信号，例如可以通过将电压耦合振荡器(压控振荡器VCO)集成到随机数产生电路而获得，压控振荡器的输入是由周期变化的信号所提供，而这种信号可以由第二振荡器所提供。结果，这样就导致了VCO信号的频率以某种方式被调制，这种方式与第二振荡器的波形相关。在这种情形下，第二振荡器也可能是一个VCO，比如它可以在其控制输入端用恒定电压操作，使得在它的信号输出端出现具有恒定频率的振荡信号。但是，这种方式仍然不能对所有应用领域产生满意结果。其结果是，如果第一信号的频率在时间上一个特定的点适合于耦合，而在特定时间以后又分离开，会出现两个信号暂时被耦合，从而产生混频。从而，电路所提供随机数的质量将随着第一信号的变化频率而波动。因此，仍然需要能够产生具有更好质量随机数的随机数发生器。

DD 279 763 A1描述了一个方法来在微型计算器中产生随机数，其中采用了两个不相关的电子振荡，它们的频率至少相差100倍。振荡是由两个相互独立的源所产生，准确地说产生的方式使得两个振荡之间在频率和相位角上都不相关。高频振荡由微型计算器所启动的计数器进行计数，低频振荡用来终止计数器。这样在终止计数器后，读取计数器就可得到随机数，用于进一步处理。

US 5,859,540描述了一个保护环，用于减少光电二极管的暗电流。其中包含有一个在半导体材料中掺杂有高浓度杂质的环形区，根据在第4列的描述，它改变了在耗尽区的位置，从而减少了暗电流。保护环通常是指半导体材料中的掺杂区，它环绕某个器件以限定电流。

发明内容