[发明专利]随机数发生器

说明书

发明名称

随机信号发生器

缩写

PRN  随机数发生器

LCG：线性同余发生器

MCG：更通用的同余(More General Congruence)

ML： 最大长度

PMMLCG：素数模LCG(Prime Modulus LCG)

技术领域

本发明涉及伪随机数发生器，PRN，以及用于产生随机数信号的方法，以及用于包含PRN的快速跳频电台(fast frequency hoppingradio)的系统以及用于这种系统的方法。

背景技术

在数据通信和无线电通信领域内，经常使用被称为“扩频”的技术以便使确定性信号呈现随机。这种信号与白噪声类似，从而使理解所截获(intercepted)的信号非常困难。此外，当试图抑制衰落时也可使用它。

用于实现“扩频”的一种已知的方法是快速跳频。在这种系统中在任何给定时刻所使用的频率是通过包含PRN的随机频率发生器来确定的，所述随机频率发生器通过接收器和发射器这二者都知道的同步信号来驱动，以使得所述接收器能够“跟随”所述发射器所使用的频率。

在随机数发生器的领域，已知有多种用于产生随机数或信号的技术。PRN的示例有ML序列器(sequencer)；线性同余发生器(LCG)；更通用的同余(MGC)；以及素数模LCG(PMMLCG)。

诸如ML序列器之类的传统二进制PRN以其最简单形式包含移位寄存器，所述移位寄存器具有来自寄存器的预先确定位置处的两个或更多个端口(socket)的反馈信号。所述反馈信号彼此相加，而后被反馈到寄存器。

诸如线性同余发生器(LCG)或更通用的同余(MGC)或素数模LCG(PMMLCG)之类的另一种传统PRN通过输入信号来驱动。输出信号被反馈到PRN并被用于随机数信号的进一步生成。

对于上述所有PRN，普遍的是它们很大程度上取决于其先前状态，这就有如下缺点：PRN中信号的扰动(disturbance)将在PRN中传播，并引起故障传播。

这种故障传播可能会在包括发送器和接收器的单向通信系统中导致严重错误。PRN在这里被用于产生置乱(scrambled)信号，所述置乱信号必须正确以便接收器能够解译(unscramble)信号并收回在不用向发送器确认的情况下确信的重要信息。

此外，长时间以来已知使用David Wheeler和Roger Needham提出的所谓微型加密算法(Tiny Encryption Algorithm)的具有前馈控制的PRN。然而，该PRN使用大量加法算子以及异或(XOR)算子以便使用如上所述的信号反馈来获得匹配PRN的结果。该已知的前向控制PRN使用太多的算子，从而使系统在制造和能耗这两方面都不是成本高效的。许多算子还可能太复杂，以致不能使用上述扩频来在系统中实现PRN。

所以，长时间以来都存在着对具有无故障传播和最小化的算子数目的改进的PRN的需求。

发明公开

本发明旨在通过使用伪随机数发生器(下文中称为PRN)来矫正上述问题，所述伪随机数发生器不会陷入故障传播的问题并同时最小化算子的数量。本发明还涉及用于产生可靠伪随机数的PRN的方法。

PRN包括第一输入端子、第二输入端子和第三输入端子。

第一输入端子被安排成接收确定性第一信号。所述确定性信号可以是时间信号或时变信号。在包括使用PRN的发送器和接收器的系统中，确定性第一信号必须是对于发送器和接收器这二者都具有相同特性的相同信号。

第二输入端子被安排成接收第二信号，该第二信号是恒定信号(constant signal)。所述恒定信号是任意二进制数。

第三输入端子被安排成接收第三信号，该第三信号是种子信号(seed signal)。所述种子信号是二进制数，并且是用于在发送器中对信号进行置乱的密钥(key)而且是用于在接收器中进行解译的密钥。种子信号对于发送器和接收器这二者必须是已知的。

恒定信号是具有数量为T位的二进制信号。确定性第一信号是具有数量为T乘2位的二进制信号。种子信号是具有数量为T乘4位的二进制信号。第一输入端子将确定性第一信号分成两个相等的部分：第一确定性信号和第二确定性信号。第三输入端子将种子信号分成四个相等的部分：第一种子信号、第二种子信号、第三种子信号和第四种子信号。

PRN包括第一移位寄存器、第二移位寄存器、第三移位寄存器和第四移位寄存器。