基于真随机数的云模型发生器 - 图文

第二章 真随机数发生器

2.3 增强随机性的常用方法

众所周知, 随机源的随机性能的好坏直接决定了真随机数发生器芯片的质量。但是, 即使有好的随机源也未必能够产生高质量的随机数。通常在实际芯片的制作中, 还要对随机源进行处理, 使其输出的随机序列能够更好地满足统计性检验。增强随机性的常用方法有两类

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:

1.采用两路或多路相互独立且相同的随机源各自产生随机数, 然后经杂化网络( 异或链网络或哈希杂化网络等) 扰乱输出位流, 在通过一个伪随机数发生器后得到最终的随机数输出。

2.可以选取上述方法中的二种或者更多种进行优化组合,使其得到高质量的随机数。

2.4 真随机数统计特性常用的检测方法

在信息安全领域的基本标准有美国商务部国家标准技术协会NIST 发布的ITSEC、CC 及FIPS 系列标准。对于真随机数发生器而言, 常用的评价标准有德国BSI 在2001年9月25日发布的AIS31 标准。高质量的随机数序列必须通过一系列的统计检验。结合上述标准可设计出合适的检验方法, 主要用于检测随机序列的分布均匀性、相关性等。常用的检测方法如下:

1.比特分布检测

比特分布检测是随机数发生器最基本的检测标准,用以判断随机序列是否满足分布的均匀性。主要测试长为n比特的序列中0 和1 的个数, 理想情况0 和1 等概率分布。

2.跟随特性检测( 又称转移检测)

序列的跟随特性指序列中相邻元素的出现情况。主要用来测试长为n 比特的序列中00、 01、10、11 的概率是否相等。采样低频采样的措施有利于保证输出数的跟随特性。

3.游程检测

游程是由连续0 或者1 组成的序列, 并且其前后元素与游程的元素不同。游程数目为序列长度的一半时,产生的随机序列较好。

4.碰撞检测

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江苏科技大学工程硕士学位论文

这种检测法我们常以抽象概率试验小球碰撞为比喻。假定将n个小球随机扔进m 个空缸里, 这里m>>n, 当小球掉进非空的缸里时，我们认为碰撞发生。理论上,一个缸里有k 个球的概率为:

?n??1???k????k???m?????因此碰撞次数的期望值为:

k1???1???m?n?k (2.13)

c???k?1???k? (2.14)

k?05.扑克检测

扑克检测先将待测序列划分成若干个长为m(m为任意正整数) 的二进制子序列, 长为m 的二进制子序列有2 种类型, 然后检测这2 种子序列类型的个数是否相等。

m

m

6.随机序列的检测方法还有相关性检测、线性复杂度检测、长游程检测等。

2.5 小结

本章充分研究了真随机数发生器、云模型的国内外历史和发展现状以及真随机数常用检测方法，为真随机数硬件设计及随机序列的检测奠定了坚实的基础。

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第三章 正态分布的真随机数

第三章 正态分布的真随机数

获得正态分布的真随机数可以通过如下流程进行： 1.设计一种产生高质量随机序列的硬件实现方案； 2.对产生的真随机序列的统计特性进行检测；

3.若产生的真随机序列不具备统计特性，则重新设计硬件； 4.将具有统计特性的真随机序列转换成均匀分布的真随机数；

5.利用正态分布密度函数连续积分，将均匀分布的真随机数转换成正态分布的真随机数；

3.1 噪声和分类

噪声是给听到它的人和自然界带来烦恼的、不受欢迎的声音、影响人们工作学习休息的声音都称为噪声。对噪声的感受因各人的感觉、习惯等而不同，因此噪声有时是一个主观的感受。一般来说人们将影响人的交谈或思考的环境声音称为噪声。

现代城市中环境噪声有四种主要来源：

1．交通噪声:主要指的是机动车辆、飞机、火车和轮船等交通工具在运行时发出的噪声。这些噪声的噪声源是流动的，干扰范围大。

2．工业噪声:主要指工业生产劳动中产生的噪声。主要来自机器和高速运转设备。 3．建筑施工噪声:主要指建筑施工现场产生的噪声。在施工中要大量使用各种动力机械，要进行挖掘、打洞、搅拌，要频繁地运输材料和构件，从而产生大量噪声。

4．社会生活噪声:主要指人们在商业交易、体育比赛、游行集会、娱乐场所等各种社会活动中产生的喧闹声，以及收录机、电视机、洗衣机等各种家电的嘈杂声，这类噪声一般在80分贝以下。如洗衣机、缝纫机噪声为50--80分贝，电风扇的噪声为30～65分贝，空调机、电视机为70分贝。

电子线路中的噪声可以概括地认为，它是对目的信号以外的所有信号的一个总称。最初人们把造成收音机这类音响设备所发出噪声的那些电子信号，称为噪声。但是，一些非目的的电子信号对电子线路造成的后果并非都和声音有关，因而，后来人们逐步扩大了噪声概念。例如，把造成视屏幕有白班呀条纹的那些电子信号也称为噪声。可能以说，电路中除目的的信号以外的一切信号，不管它对电路是否造成影响，都可称为噪声。例如，电源电压中的纹波或自激振荡，可对电路造成不良影响，使音响装置发出交流声或导致电路误动作，但有时也许并不导致上述后果。对于这种纹波或振荡，都应称为电路的一种噪声。

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3.2 PN结雪崩击穿噪声的特点及利用

1．雪崩击穿噪声机理分析

当PN结反向偏压即结电场增高到一定程度，就会发生载流子碰撞电离击穿，这种击穿并不是均匀发生的，而是由点状击穿组成。我们把这种点状区域称为微等离子区，每个微等离子区的通导都会使限流电阻上的压降略微下降，从而导致该区域向截止转化，每个微等离子区由通导转为截止时，又会导致周围处于截止状态的微等离子区向通导转化的几率增加。每个微等离子区就是一个随机开关，它有三种状态:1)一直关断，这主要发生在电场较弱，不足以使其激发电离的情况下。2)不断由关通变为导通、由导通孪为关断的开关动作状态，这是一种不稳定状态，在刚发生击穿的小电流状态下，电场激发微等离子区导通，但限流电阻引起电场跌落而使其截止。这种导通时问很短，一般在1Oms以内，但各微等离子区所需的激活电场和导通时间不同，从而形成很宽的噪声频谱。3)一直导通状态，当电流增大时，结电场也略有上升，同时导通引起的电场跌落减少，不足使其截止。

2．雪崩击穿噪声的特点:

(1)PN结击穿噪声为雪崩击穿所特有。

(2)PN结击穿噪声比1/f噪声更宽。1/f噪声主要在1kHZ以内，上0.1～1MHz而雪崩击穿噪声在10kHz以内，上限10～100MHz。

(3)不同的工作电流下，击穿噪声是不同的。击穿噪声在电流是75～250?A处达到最大值，当电流再增大时，噪声反而明显下降。 3．雪崩击穿噪声的利用

雪崩击穿噪声是很好的噪声信号源。它具有噪声输出大，频谱丰富，线路简单可靠，一致性好等优点，若在后面加上高通、低通、带通或带阻滤波网络，并配以功率放大和触发开关电路，就能得到不同需要的噪声信号。例如用作电子琴中沙锤声发生器，声音清晰、逼真。

3.3 高质量随机数的硬件实现方案设计

根据前文所述，雪崩噪声是产生真随机数的来源之一, 本文中设计了一种基于雪

崩噪声的电路，并通过比较器来产生随机数序列。

电路图如图3.1所示：

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