一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法

本发明涉及一种真随机信号生成方法，具体涉及一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法。

背景技术：

1、随机信号理论在它形成的初期，便在通信、雷达、导航及密码学等领域获得了广泛的应用。近年来，随着对随机信号理论研究进一步深入，人们对随机信号有了更多的认识，随机信号的实际应用也越来越多。尤其在各种安全芯片、通信芯片等各类芯片产品中，随机信号发生电路设计优劣直接影响这些芯片产品性能的好坏。传统在芯片中实现随机信号发生受制于芯片设计复杂程度，大量采用伪随机信号的方案。但随着芯片指标要求越来越高，芯片设计中对于采用真随机信号的需求也不断提高，利用各种物理随机机制产生随机信号的方式也不断增加。

2、目前随机信号发生器基于物理随机机制生成小随机信号，再放大处理得到随机信号。常见方法包括利用电阻热噪声、环形振荡器的相位抖动和光纤激光器的瑞利散射来生成小随机信号，然后通过压控振荡器或者过慢随机振荡信号对周期固定的快振荡信号采样生成真随机数，尽管各有优劣，但存在设计复杂度高、功耗大和系统成本高等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，该方法基于动态比较器中mos管的沟道热噪声来作为随机源，有效降低了结构的复杂性与版图面积，通过参数的随机数来控制张弛振荡器生成随机信号可增加设计的灵活性，解决传统随机信号系统使用场景单一和设计难度大的问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，所述方法基于比较器噪声的真随机信号发生电路实现，该方法包括下述步骤：

4、s1：带隙基准产生一个电压信号和一个电流信号给真随机数发生器和可控振荡器提供偏置电压和偏置电流；

5、s2：真随机数发生器接收s5产生的时钟脉冲信号，在其控制下产生一个n bit的随机数；

6、s3：可控振荡器接收s2中真随机数发生器产生的n bit真随机数字输入信号；在其控制下产生一个真随机振荡信号；

7、s4：分频器接收s3中可控振荡器产生的真随机振荡信号，根据芯片系统需求输出一路真随机时钟信号；

8、s5：上升沿检测电路接收s4中分频器产生的真随机时钟信号，在检测到上升沿时，输出一路时钟脉冲信号；

9、s6：循环步骤s1~s5。

10、所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，所述步骤s2包括如下步骤：

11、s21：n bit逻辑电路在s2所述时钟脉冲信号控制产生一个时钟信号clkc；

12、s22：动态比较器受时钟信号clkc控制，在动态比较器内部噪声的作用下产生一个随机输出outp，同时还产生一个与其相反的输出outn；

13、s23：n bit逻辑电路接收s22中所述的随机输出outp和outn，产生1 bit的随机输出信号；

14、s24：循环s22~s23,直到产生了n bit随机输出信号后停止循环；

15、上述步骤s23包括如下步骤：

16、s231：判断输入outp信号和outn信号是否为0，如果其中一个为0，同时分频器的信号为0，同时产生的随机输出信号位数小于n，则将时钟信号clkc取反，同时将outp或者outn输出到一个寄存器上；

17、s232： 判断输入outp信号和outn信号是否为1，如果都为1，同时分频器的信号为0，同时产生的随机输出信号位数小于n，则将时钟信号clkc取反。

18、所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，所述步骤s3包括如下步骤：

19、s31：可控振荡器接收s2中真随机数发生器产生的n bit真随机数字输入信号；其中每一bit的真随机数字信号控制一个开关；

20、s32：当开关输入1时打开，将对应的电容接入到电路中，与振荡器原始电容并联；输入0是关断，将对应的电容与振荡器电路断开中；

21、s33：由于振荡器接入的电容大小不同，从而产生了不同的充电时间，从而使振荡器产生不同频率的信号。

22、所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，所述步骤s4包括如下步骤：

23、s41：振荡器产生的随机信号输入到由多个dff构成的分频器电路，产生了系统所需频率的随机信号；

24、s42：随机信号作为电路的输出，输出到其他需要随机信号的电路。

25、所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，所述步骤s5包括如下步骤：

26、s51：分频器产生的随机信号同时输入到二输入与门的一个输人端和反向器的输入端；

27、s52：反相器输出将输入信号反向并输入到延时电路；

28、s53：延时电路输出延时信号输入到二输入与门的另一个输人端；

29、s54：与门对两个其两个输入进行逻辑判断，判断结果作为上升沿检测电路的输出。

30、所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，所述方法包括有基于比较器噪声的真随机信号发生电路，该电路包括带隙基准、真随机数发生器、n bit逻辑电路、可控振荡器、分频器和上升沿检测电路；带隙基准给真随机数发生器和可控振荡器提供偏置电压和偏置电流，真随机数发生器产生随机数来控制可控振荡器，可控振荡器产生随机频率的信号给分频器；真随机数发生器包括动态比较器和n bit逻辑电路；真随机数发生器接收两路输入信号；其中一路输入为：电压信号vcm；另一路输入为：上升沿检测电路产生的res时钟信号；真随机数发生器受res时钟信号控制，产生一个n bit随机数。

31、所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，所述真随机信号发生电路动态比较器接收两路输入信号；其中一路输入为：电压信号vcm，用于动态比较器的两个比较输入端，对动态比较器进行偏置，以保证动态比较器正常工作；另一路输入为：n bit逻辑电路产生的时钟信号clkc；动态比较器在n bit逻辑电路产生的时钟信号clkc控制下产生两路输出信号；其中一路输出为：动态比较器比较结果正信号outp；另一路输出为：动态比较器比较结果负信号outn。

32、所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，所述真随机信号发生电路nbit逻辑电路接收三路信号；其中两路输入为：动态比较器输出的两路相反的信号outp和outn；另一路输入为：所述上升沿检测电路产生的时钟信号res；在时钟信号res控制下，nbit逻辑电路产生两路信号；其中一路输出信号为：控制动态比较器的时钟信号clkc；另一路输出为：一个n bit真随机数。

33、所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，所述真随机信号发生电路可控振荡器接收两路输入信号；其中一路输入为：所述带隙基准产生的电流信号ib；另一路输入为：所述真随机数发生器产生的n bit真随机数；可控振荡器在真随机数字信号控制下产生一路振荡信号osc_out。

34、所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，所述真随机信号发生电路分频器接收所述可控振荡器产生的振荡信号osc_out，根据芯片系统需求输出一路真随机时钟信号clk；同时将产生的真随机时钟信号clk通过上升沿检测电路反馈回所述真随机数发生器。

35、本发明的优点与效果是：

36、本发明基于动态比较器中mos管的沟道热噪声来作为随机源，有效降低了结构的复杂性与版图面积，通过参数的随机数来控制张弛振荡器生成随机信号可增加设计的灵活性，解决传统随机信号系统使用场景单一和设计难度大的问题，通过动态比较器中mos管的沟道热噪声来生成随机数，再利用其控制张弛振荡器生成随机信号，具有结构简单、设计灵活、可靠性强、面积小、功耗低和应用场景广泛的特点。

技术特征：

1.一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，所述方法基于比较器噪声的真随机信号发生电路实现，其特征在于：该方法包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，其特征在于：所述步骤s2包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，其特征在于：所述步骤s3包括如下步骤：

4.根据权利要求1所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，其特征在于：所述步骤s4包括如下步骤：

5.根据权利要求1所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，其特征在于：所述步骤s5包括如下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，其特征在于：所述方法包括有基于比较器噪声的真随机信号发生电路，该电路包括带隙基准、真随机数发生器、n bit逻辑电路、可控振荡器、分频器和上升沿检测电路；带隙基准给真随机数发生器和可控振荡器提供偏置电压和偏置电流，真随机数发生器产生随机数来控制可控振荡器，可控振荡器产生随机频率的信号给分频器；真随机数发生器包括动态比较器和n bit逻辑电路；真随机数发生器接收两路输入信号；其中一路输入为：电压信号vcm；另一路输入为：上升沿检测电路产生的res时钟信号；真随机数发生器受res时钟信号控制，产生一个n bit随机数。

7.根据权利要求1所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，其特征在于：所述真随机信号发生电路动态比较器接收两路输入信号；其中一路输入为：电压信号vcm，用于动态比较器的两个比较输入端，对动态比较器进行偏置，以保证动态比较器正常工作；另一路输入为：n bit逻辑电路产生的时钟信号clkc；动态比较器在n bit逻辑电路产生的时钟信号clkc控制下产生两路输出信号；其中一路输出为：动态比较器比较结果正信号outp；另一路输出为：动态比较器比较结果负信号outn。

8.根据权利要求1所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，其特征在于：所述真随机信号发生电路n bit逻辑电路接收三路信号；其中两路输入为：动态比较器输出的两路相反的信号outp和outn；另一路输入为：所述上升沿检测电路产生的时钟信号res；在时钟信号res控制下，n bit逻辑电路产生两路信号；其中一路输出信号为：控制动态比较器的时钟信号clkc；另一路输出为：一个n bit真随机数。

9.根据权利要求1所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，其特征在于：所述真随机信号发生电路可控振荡器接收两路输入信号；其中一路输入为：所述带隙基准产生的电流信号ib；另一路输入为：所述真随机数发生器产生的n bit真随机数；可控振荡器在真随机数字信号控制下产生一路振荡信号osc_out。

10.根据权利要求1所述的一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法，其特征在于：所述

技术总结
本发明一种基于比较器噪声的真随机信号生成方法,涉及一种真随机信号生成方法，该方法通过动态比较器中MOS管的沟道热噪声来生成随机数，再利用其控制张弛振荡器生成随机信号，包括有带隙基准、真随机数发生器、N Bit逻辑电路、可控振荡器、分频器和上升沿检测电路，所述带隙基准给真随机数发生器和可控振荡器分别提供偏置电压和偏置电流，所述真随机数发生器产生随机数来控制可控振荡器，所述可控振荡器产生周期随机的信号给分频器，在该基于比较器噪声的真随机信号发生电路中生成真随机信号的方法。本发明具有结构简单、设计灵活、可靠性强、面积小、功耗低和应用场景广泛的特点。

技术研发人员：李金凤,张捷
受保护的技术使用者：沈阳化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23