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基于电阻热噪声与振荡器的真随机数产生器设计

魏毅  
【摘要】: 随着电子与通信技术的发展,信息安全变得越来越重要,而密码学是保障信息安全的最好方式,也是唯一途径。在密码学应用中,无论是密码算法中密钥的产生还是密码协议中特定变量的随机初始化,都需要用到随机数。为了满足安全性这一最根本的要求,必须采用完全不可预测的真随机数,它有别于伪随机数的根本特点就是没有周期性。 本文首先介绍了随机数的定义和应用场合,并分析了目前常见的三种片上真随机数产生器的产生方式:基于电阻热噪声的真随机数产生器、基于振荡器的真随机数产生器和基于混沌的真随机数产生器。其中,基于混沌的真随机数产生器因其利用混沌函数生成随机序列而受到密码学家的质疑。因此,本文将设计适于片上集成的基于电阻热噪声的真随机数产生器和基于振荡器的真随机数产生器。 本文所设计的基于电阻热噪声的真随机数产生器包含优化设计的低噪声运算放大器、比较器和失调补偿电路,与传统结构相比可以获得更好的随机特性。本文所设计的基于振荡器的真随机数产生器包含带隙、三角波振荡器(包括电荷泵、跨导放大器、两级运算放大器和施密特触发器)和D触发器,该结构可以保证获得较大的周期抖动。上述两种真随机数产生器均采用HJTC-0.18μm工艺设计并完成了模拟电路的版图设计。 最后,分别对基于电阻热噪声的真随机数产生器和基于振荡器的真随机数产生器进行了仿真测试,并在此过程中提出了电阻热噪声的时域仿真方法和周期抖动的测试方法。仿真结果表明,基于电阻热噪声的真随机数产生器在输出吞吐率为10Mbit/s的时候可以顺利通过随机特性测试;基于振荡器的真随机数产生器在输出吞吐率接近10Mbit/s的时候,也满足随机特性的要求。


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