一種隨機數發生器的製作方法

2023-09-25 18:25:05

專利名稱：一種隨機數發生器的製作方法
一種隨機數發生器
本發明涉及一種用作隨機數發生器的電路。
隨機數發生器產生數列，數列中的數不能通過序列中在前的數而被預知。 隨機數列的重要品質是不循環，良好的數值分布和不具有可預測性。隨機數發 生器被使用在許多不同的應用場合，包括安全系統(例如，加密目的)和取樣 應用(例如，民意測驗)，以及娛樂場所。
現有的隨機數發生器或是在硬體中實現，或是在軟體中實現。硬體隨機數 發生器典型地通過物理過程產生隨機數，如通過蓋革計數器探測到的原子的放 射性衰變，或者通過無線電接收機探測到的大氣噪聲。這些物理過程在理論上 是完全不可預測的，所以通過監控這樣的一種物理過程而產生的數列應該是隨 機的。然而，對於一件需要隨機數產生的設備來說，為了監控物理過程，而將 其放置在接近發生此過程，如放射性衰變，的地方總是不方便的。並且該監控 設備很可能是大體積的，這使得其不適合放置於空間受限的場所。
大多數隨機數發生器不是硬體設備，而是通過軟體程序實現的算法。這些 通常被稱為偽隨機數發生器，因為它們不可能真正地隨機。這是因為產生隨機 序列的算法典型地使用序列中在先產生的數去產生隨後的數。因此，根據發生 器的初始狀態，以及特定的算法，通過這種隨機數發生器產生的序列是可預測 的。即使只有部分信息被知，這也能使得隨機數發生器對於安全應用是不安全 的。
7因此，需要一種改進的隨機數發生器。
根據此公開的第一方面，公開一種隨機數發生器，包括一西格瑪-德爾塔 調製器，該西格瑪-德爾塔調製器具有一調製單元，該調製單元包括 一求和 單元，設置為接收模擬輸入信號，該模擬輸入信號根據在第一電壓範圍上的噪 聲而變化，求和單元設置為對該模擬輸入信號與調控信號進行求和，以形成求 和輸出信號； 一環路濾波器，設置為接收該求和輸出信號，並形成取決於該求 和輸出信號的濾波輸出信號；以及， 一量化器，設置為接收該濾波輸出信號， 將濾波輸出信號與量化器閾值進行比較，並根據比較情況，通過在兩個預定的 電平中為數字輸出信號選擇一個而形成該數字輸出信號；該西格瑪-德爾塔調 制器進一步包括一反饋迴路，設置為接收該數字輸出信號，並形成取決於該數 字輸出信號的該調控信號，使得在任意給定的時刻，求和輸出信號的幅值與量 化器閾值之間的絕對差值小於第一電壓範圍，因此，隨機數發生器能夠形成推 導自該模擬輸入信號的，並且具有高度熵(entropy)的數字輸出信號。
該反饋迴路可以包括一選擇電路，設置為根據該數字輸出信號在兩個邊界 值中為調控信號選擇一個。
該調製單元可以設置為，使得如果邊界值保持恆定，則數字輸出信號代表 在兩個邊界值之間範圍內的模擬輸入信號的電平。
介於兩個邊界值之間的電壓範圍可以小於與該西格瑪-德爾塔調製器所關 聯的一個標稱輸入範圍。介於兩個邊界值之間的電壓範圍可以小於O.IV。
該調製單元和反饋迴路可以分別地設置為反覆地產生數字輸出信號和調 控信號，該選擇電路設置為在每次反覆時在兩個邊界值中選擇一個邊界值。
該選擇電路可以設置為根據數字輸出信號的瞬時值在兩個邊界值中選擇 一個邊界值。
該量化器可以設置為通過在第一電平和第二電平之間為數字輸出信號選 擇一個而形成該數字輸出信號，選擇電路設置為選擇邊界值中的第一邊界值作 為對具有第一電平的數字輸出信號的響應，並且選擇邊界值中的第二邊界值作 為對具有第二電平的數字輸出信號的響應。
該隨機數發生器可以包括一控制單元，該控制單元設置為監控由於模擬輸 入信號中的噪聲所引起的變化，並且根據該變化在兩個邊界值之間為調控信號 選擇一個。
在一種實施方式中，選擇電路包括一多路復用器，設置為接收該數字輸出 信號，並根據該數字輸出信號輸出兩個邊界值中的一個。控制單元可以包含於 選擇電路中，該控制單元設置為產生取決於模擬輸入信號的第一和第二控制信 號。該選擇單元同樣可以包括第一數模轉換器和第二數模轉換器，第一數模轉 換器和第二數模轉換器的每一個都設置為分別接收第一和第二控制信號中的 一個，並且根據該控制信號分別輸出一個邊界值。
該控制單元可以產生第一和第二控制信號，以使得西格瑪-德爾塔調製器對該模擬輸入信號的進行有效放大，並且使得該西格瑪-德爾塔調製器對模擬 輸入信號的進行有效偏移。
兩個邊界值中的每一個都可以分別與一個電平相對應，且該控制單元能夠 通過產生第一和第二控制信號而對該模擬輸入信號進行有效放大，從而使得兩 個各自電平之間的差值減小。
兩個邊界值中的每一個都可以分別與一個電平相對應，並且該控制單元能 夠通過產生第一和第二控制信號而產生模擬輸入信號的有效偏移量，使得兩個 電平的和為非零值。
在一種實施方式中，控制單元設置為向選擇電路輸出控制信號，且該選擇 電路包括一邏輯電路， 一邏輯電路設置為根據控制信號和數字輸出信號在兩個 邊界值中為調控信號選擇一個。該控制單元可以這樣的產生控制信號該數字 輸出信號的選定部分由過渡循環(transition cycles)所取代。通過用過渡循環 取代數字輸出信號的增加部分，該控制單元可以能夠增加西格瑪-德爾塔調製 器的有效增益。該控制單元還能夠通過產生該控制信號來對該模擬輸入信號進 行偏移從而用過渡循環取代具有兩個預定值之一的數字輸出信號的大部分或 小部分。
一個過渡循環的淨平均值可以與調製器的虛地電平相等。 調製器的虛地電平可以為兩個邊界值的中間值。
控制單元可以設置為確定具有兩個預定電平中的一個電平的數字輸出信號的比例，並且如果該比例不是基本等於50%，則對模擬輸入信號進行有效偏 移。
根據公開的第二方面，公開了將西格瑪4養爾塔調製器作為隨機數發生器
的用途。
為了能夠更好的理解本發明，參照下面的附圖舉例進行說明，包括

圖1示出了一種典型的西格瑪-德爾塔調製器；
圖2a和2b示出了一種包含噪聲分量的模擬輸入信號，和一通過該模擬輸 入信號產生的、由環路濾波器輸出的信號；
圖3說明了 一種能夠通過反饋迴路中的邏輯電路對模擬輸入信號的增益和 偏移量進行調整的西格瑪-德爾塔調製器；
圖4a至d示出了在一西格瑪-德爾塔調製器中實現增益功能的波形；
圖5a至c示出了在一西格瑪-德爾塔調製器中實現增益功能的波形；
圖6示出了一種能夠對一模擬輸入信號施加有效增益和偏移量的西格瑪-德爾塔調製器的一般的實現方式；
圖7示出了一種軟體控制的西格瑪-德爾塔調製器；以及，
圖8示出了一種適用於隨機數發生器使用的算法的流程圖。一種隨機數發生器可以使用一西格瑪-德爾塔調製器，以產生具有高度熵 的數字輸出信號。該數字輸出信號可以從一包含噪聲分量的模擬輸入信號推導 出來。該西格瑪-德爾塔調製器的輸入範圍可以設置為使得該調製器的數字轉 換對於模擬輸入信號中的噪聲分量的隨機幅值波動來說是靈敏的，從而，可以 在數字輸出信號中獲得高度熵。
一種使用西格瑪-德爾塔調製器產生具有高度熵的數字輸出信號的隨機數 發生器，是一種製造成本低的隨機數發生器的簡單實現。該隨機數發生器還具 有尺寸小的優點，這使得其尤其適合於空間受限的應用。
西格瑪-德爾塔調製器是將模擬輸入信號轉換為一串1和o的數模轉換器。
西格瑪-德爾塔調製器的晶振頻率典型地比模擬輸入信號的模擬式頻率高的 多。因此，該數字輸出信號相對於模擬輸入信號來說具有較高的頻率。包含於
由西格瑪-德爾塔調製器輸出的數位訊號中的1和0的比例代表了與西格瑪-德
爾塔調製器的輸入範圍相比較的模擬輸入信號的值。
通過最簡單的1位實現可以最好地說明西格瑪-德爾塔調製器的運行過程。 圖1中所示的為一 1位西格瑪-德爾塔調製器。
圖1說明了基本的實現方式，該圖中的西格瑪-德爾塔調製器包括一求和
單元IOI， 一積分器102， 一比較器103和一數模轉換器(DAC) 104。例如，
求和單元可以為一差分放大器。比較器可以為一模數轉換器(ADC)。
如圖1所示，調製器的各元件連接成一反饋迴路。模擬輸入信號被送入求和單元，在模擬信號被送入一環路濾波器，在本例中為一積分器，之前，在求 和單元處與一反饋信號求差。積分器輸出的信號與比較器中的基準信號相比
較。如果積分器輸出的信號大於基準信號，則輸出'r，如果積分器輸出的信號 小於基準信號，則輸出'o'。從而，模擬輸入信號被轉換為數字輸出信號。
數字輸出信號被經由DAC反饋至求和單元，在此處輸入信號與其進行求 差運算。反饋信號的目的是通過獲得代表模擬輸入的數字數出信號1和0，保
持積分器輸出的平均值接近比較器的基準電平。
位於反饋迴路上的DAC具有一個高基準電壓和一個低基準電壓。當比較 器輸出'l，時，DAC輸出一高電壓信號，當比較器輸出'0，時，DAC輸出一低電 壓信號。當輸入信號與反饋DAC的高基準電壓或低基準電壓相等時，調製器 位於滿刻度量程處。例如，如果當反饋DAC接收O時，輸出-2.5V，當其接收 1時，輸出2.5V，則輸入的範圍為士2.5V。比較器的基準電壓為輸入範圍的上 邊界和下邊界的中間值，例如，對於輸入範圍為士2.5V的情況，比較器的基準 電壓為0V。比較器的基準電壓代表調製器的虛地電平。由於，調製器具有一 關於O對稱的輸入範圍，所以，其虛地電平為0。
西格瑪-德爾塔調製器的輸出是一串1和0。 1和0的比例代表與調製器的 輸入範圍相比較的輸入信號的值。例如，如果調製器的範圍為土2.5V，輸入信 號的值為1.0V，則輸入信號比該5V範圍的下邊界高3.5V。在此例中，輸出信 號的70%應該由1組成。為了使調製器產生一精確表示模擬輸入信號的數字輸 出信號，調製器的採樣速率必須明顯高於模擬輸入信號的變化速率。比上述的1位調製器更加複雜的西格瑪-德爾塔調製器可具有較多的調製 器和積分器。
當輸入信號在調製器輸入範圍的上限和下限之間變化時，該西格瑪-德爾 塔調製器提供最佳的解析度。該上限和下限可被視為在調製器的虛地電平附近
的士Vcc/2 (即，該調製器的輸入範圍為Vcc)。
在根據作為實施例公開的該隨機數發生器中，西格瑪-德爾塔調製器被用 來輸出一種具有高度熵的數字輸出信號，即，充分隨機的1和0的串。這通過 對模擬輸入信號中的噪聲分量進行有效地數位化而實現的。因此，模擬輸入信 號中的噪聲分量應當位於西格瑪-德爾塔調製器的輸入範圍之內。另外，由於 模擬輸入信號中的噪聲分量將典型地在一個相對小的電壓範圍上變化，所以模 擬輸入信號的輸入範圍應該設置為使得調製器在該相對小的電壓範圍上足夠 地靈敏。如果該調製器並非足夠地靈敏，數字輸出信號將代表模擬輸入信號中 的非隨機成分，而不是噪聲分量。
西格瑪-德爾塔調製器的靈敏度由其輸入範圍決定，繼而由反饋信號決定。 例如，西格瑪-德爾塔調製器的輸入範圍可以通過調整由反饋信號改變的電壓 範圍來進行控制，或者通過向數字數出信號中引入過渡循環來進行控制。這些 將參照一種西格瑪-德爾塔調製器的特定實施方式，在下面進行更為詳盡的說 明。
在下面說明的一種西格瑪-德爾塔調製器的特定實施方式中，可用一個控制單元來監控模擬輸入信號中的噪聲分量，並由該控制單元形成取決於該噪聲 分量的反饋信號。具體地講，該控制單元可以根據模擬輸入信號中噪聲分量的 變化，選擇兩個邊界值的一個作為反饋信號。現將參照一種西格瑪-德爾塔調 制器的兩種不同的實施方式，對該控制單元進行更為詳盡的說明。
為了將西格瑪-德爾塔調製器用作一種隨機數發生器，該反饋信號應當以 這種方式產生，即被比較器接收的信號，以一種充分隨機的方式在基準信號電 平之上和之下進行波動。換句話說，該比較器接收的信號，其中的噪聲分量應 當足夠的大，使得該信號的波動經常跨越比較器的基準閾值。如此，當比較器 判斷從環路濾波器輸出的信號分別高於或者低於比較器的基準電平時，數字數
出信號應當包含1和o的充分隨機串。
按上述，反饋信號的目的是為了通過使數字輸出信號的1和o代表模擬輸
入信號，而保持環路濾波器的平均輸出接近比較器的基準電平。通常不可能保 持積分器的平均輸出精確地處在比較器的基準電平上。因此，下面的表述是可
以接受的
其中，i(t)為模擬輸入信號，f(t)為反饋信號的平均幅值，另外，Q為比較 器的基準電平。
通常，由於不能保持模擬輸入信號和反饋信號之間的差值精確地處在比較
器的基準電平上，因此，可以向方程l中引入一個誤差因子，形成如下的表述:^;f附-+ e (2) 其中，e為誤差因子。
該誤差因子代表了將存在於輸入比較器的信號的平均電平和比較器的基 準電平之間的內在偏移量。
另外，儘管輸入至比較器的輸入信號的平均值與比較器的基準電平近似相 等，但在任何給定的時刻，信號幅值都將或是大於比較器的基準電平，或是小 於比較器的基準電平。如圖2a和2b所示，圖2a說明，模擬輸入信號的直流 (d.c.)分量處於調製器的虛地電平上(也就是，模擬輸入信號的直流分量位 於所允許的輸入範圍201的上限和下限的中間)，並且，模擬輸入信號的疊加 在直流分量之上的噪聲分量，在相對小的電壓範圍202上變化。該模擬輸入信 號致使環路濾波器輸出如圖2b所示的信號。
圖2b中所示的信號包括一個代表模擬輸入信號中直流分量的正弦分量 207，和一個代表模擬輸入信號中噪聲分量的隨機波動分量206。由於模擬輸入 信號中的直流分量位於所允許的輸入範圍的中間，所以由西格瑪-德爾塔調製 器輸出的數字輸出信號將包含50%的1和50%的0。如圖2b所示，該信號在 大約50%的時間上位於比較器的閾值電平203的上方，在大約50%的時間上 位於比較器的閾值電平203的下方。由於誤差因子e的存在，該比例不是精確 的50: 50，這將在該信號與比較器的基準電平之間引起一微小的偏移204。
如圖2b所示，相對於正弦分量的幅值來說，隨機波動分量206具有相對小的幅值。因此，在該信號的附近，比較器基準電平多數跨越是由模擬輸入信 號的直流分量產生的，而不是噪聲分量。這是因為調製器靈敏度不夠，也就是 調製器的輸入範圍太大了 。通過向模擬輸入信號的噪聲分量移動調製器輸入範
圍201的上限和下限，也就是，使得噪聲分量位於輸入範圍的內部，並且，大 比例地延伸跨越其範圍，輸入比較器的信號中的隨機波動分量的相對幅值將增 加。如此，大多數對比較器基準閾值的跨越將是隨機波動分量，而不是非隨機 分量造成的，這將確保數字輸出信號具有高度熵。
如圖2b所示，如果由模擬輸入信號中的噪聲引起的隨機波動是經常的穿 越比較器基準閾值，則輸入比較器的信號的幅值205應當小於隨機波動信號的 幅值。因此，忽略誤差因子(其可以假定為很小)，可以看出，在任何給定的 時刻比較器的基準電平與由模擬輸入信號減去反饋信號而形成的信號之間的 差值應當小於模擬輸入信號中噪聲分量變化所在的電壓範圍，以確保數字輸出 信號的高度熵。這可以表述如下
e|<^ (3)
其中，N為模擬輸入信號中噪聲分量變化所在的電壓範圍。
因此，為了使西格瑪-德爾塔調製器產生顯示充分高度熵的數字輸出信號， 反饋信號可以形成為使得方程3在任意給定的時刻成立。
實際上，可以通過將西格瑪-德爾塔調製器的輸入範圍設置的儘可能的小， 而直接地獲得高度熵。這種設置可能通常超出了設備的由生產廠商所設定的運行公差。高度熵可以通過設置兩個邊界值(也就是反饋信號變化範圍所在的高 電壓和低電壓)之間的電壓範圍，使其小於與西格瑪-德爾塔調製器相關聯的 正常輸入範圍而獲得。該正常的輸入範圍可以是由生產廠商設定的運行公差。
一個適宜的輸入範圍可以是，例如，O.IV或者低於O.IV。
西格瑪-德爾塔調製器的輸入範圍可能被設置為固定不變的，例如，由生 產廠商為反饋信號設定邊界值。可供選擇地，該輸入範圍由使用者設置或者由 一個監控模擬輸入信號、並控制反饋信號形成的控制單元設置，使得該輸入範 圍對於模擬輸入信號來說是適當的。該輸入範圍可以通過改變其上限和下限的 絕對值，和通過改變其電壓範圍而改變。改變這些值可以認為是對模擬輸入信 號施加了有效的增益或者偏移量。應當被用來產生具有高度熵的數字輸出信號 的精確的輸入範圍由特定的模擬輸入信號所決定。
模擬輸入信號可包含一位於基本穩定電平上的直流分量，例如IV，而一
噪聲分量疊加在該穩定電平之上。可供選擇地，該噪聲分量可以疊加在一種變
化幅值的非隨機信號之上，如一交流(a.c.)信號。
該輸入信號可包含一疊加在直流分量上的噪聲分量，而不是疊加在幅值變 化的分量上，因為，否則該西格瑪-德爾塔調製器的輸入範圍將不斷地被調整 以解決模擬輸入信號中的非隨機波動。當模擬輸入信號的平均幅值由於非隨機 分量而變化時，這種不斷的調整可以通過監控模擬輸入信號和對模擬輸入信號 實施有效的偏移而實現。然而，這對於採用一種直流分量來說會較為簡單， 就眼前來說，這將免除了採取這種不斷調整的需要。從長遠觀點來看，由於在直流電平中存在不可避免的波動，將需要對輸入範圍進行微小的調整，這種不 可避免的波動是由，例如長期的溫度變化，而不是由短期的熱噪聲所引起的。
現將說明西格瑪-德爾塔調製器的適合於作為隨機數發生器的不同實施方 式。給出這些特定的實施方式僅以舉例為目的，應當明確地是，本發明並非局 限於西格瑪-德爾塔調製器的任何特定的實施方式。
改變西格瑪-德爾塔調製器輸入範圍的一種選擇是在反饋迴路中引入過渡 循環。過渡循環的淨平均值與調製器的虛地電平相等。通過在反饋迴路中引入 更多的過渡循環，反饋的總的平均電平會降低，這將具有對模擬輸入信號進行 有效放大的效果。
圖3示出了一種西格瑪-德爾塔調製器，該西格瑪-德爾塔調製器在反饋回 路中引入了過渡循環。環路濾波器301為一積分電路，量化器為一鎖存器302, 而反饋DAC被一異或門(XOR門)303所代替。數字反饋信號和控制信號作 為XOR門的輸入。
圖4所示的波形A是針對輸入信號為虛地電平的一典型的反饋信號。在圖 4中，虛地電平設置為1/2Vcc。信號的佔空比為50%，即半周期為上限Vcc， 半周期為下限0V。因此，此信號代表了一個具有幅值為調製器輸入範圍的上 限與下限之間的中間值，即此例中的l/2Vcc，的輸入信號。
圖4所示的波形B為包括過渡循環的等效反饋信號。波形A是一種不歸 零波形或者NRZ波形，已被轉換為歸零波形。如圖中所示，過渡循環的淨平均值為1/2Vcc (虛地)。
圖4所示的波形B很難直接綜合。然而，由於對過渡循環來說僅需要其淨 平均值等於虛地電平，因此在積分器看來，如圖4所示的波形C與波形B在 總反饋電平上將具有同樣的效果。在波形C中，過渡循環實際以一對脈衝的形 式實現，該對脈衝的平均值為1/2Vcc。
波形A與波形D (同樣如圖4所示)通過一 XOR門可容易的獲得波形C。 因此，在如圖3所示的西格瑪-德爾塔調製器中，數字輸出信號(波形A)和 控制信號(波形D)輸入至XOR門，以產生反饋信號(波形C)。注意反饋信 號仍具有50%的佔空比，所以調製器仍與1/2Vcc的輸入相平衡。換而言之， 對於一在虛地的輸入信號，在反饋信號中弓I入過渡循環不會改變此狀態。
對於調製器具有滿刻度的正輸入(Vcc)的狀態而言，圖5所示的波形A、 B和C是相似的波形。調製器的數字輸出信號為波形A。當輸入為上限時，輸 出信號總是高電平(100%的1)。如果相同的控制信號(波形C)和該數字輸 出信號一同輸入至XOR門，將生成反饋波形B。這一次，反饋信號的淨直流 含量為3/4Vcc。因此，3/4Vcc的輸入量將被此反饋信號平衡，而調製器的輸 入上限減少了 1/4Vcc。
相近似的，如果調製器的輸入為滿量程的負輸入(0V),同樣的控制信號 將產生一淨直流含量為1/4Vcc的反饋信號。因此，1/4Vcc的輸入量將被該反 饋信號平衡，而調製器的輸入上限增加了 1/4Vcc。因此，總的來說，圖4所示的波形D和圖5所示的波形C將調製器的輸 入範圍由Vcc降至1/2Vcc。調製器具有一隱含的增益2。通過將進入調製器的 輸入範圍減半，控制信號有效地實現了與在西格瑪-德爾塔調製器之前以2為 因數進行放大的同樣的效果。
控制和反饋信號可以具有比數字輸出信號高的頻率。為了實現此種狀態， XOR門和量化器可以接收不同的時鐘信號。
控制信號還可用來施加一偏移量。這可以通過使用與圖3中所示的電路相 同的基本電路實現。在這種應用中，控制信號被配置，使得過渡循環以一種非 對稱方式被注入到反饋信號中。在輸出信號中，替換的'1，多於'0'，使產生的 反饋信號為輸入信號施加一正的偏移量。這是由於反饋信號中的淨直流含量相 對於在反饋信號中以對稱方式的方式注入同樣數量的過渡循環的情況是要小。
相近似的，替換的'o'多於'r，可以施加一負的偏移量。
該控制信號可以為一種為特定的輸入而準備的預定的形式。例如，在CD 播放機中，可以根據將要播放的CD類型而選擇一種適當的、預定的控制信號。
該控制信號可以通過一控制單元產生。
該控制單元可以具有模擬的、數字的，或者軟體的實施方式。
該控制信號可以是自適應得。例如，該控制信號可以在運行過程中改變， 以解決模擬輸入信號中直流分量的變化。該系統可以採用上述的原則，將有效的增益和有效的偏移量均作用在輸入 信號上。
根據某一實施方式，該控制單元可設置為監控與輸入信號相關的狀態。例 如，在隨機數發生器中，該控制單元可設置為監控模擬輸入信號中的噪聲分量。
在模擬輸入信號上作用有效的增益或者偏移量是在模擬域，而不是上述的 數字的實施方式。例如，該模擬輸入信號可以在進入西格瑪-德爾塔調製器之 前被放大。然而，實施變化的增益和偏移量的模擬方法可能是及其複雜的。在 西格瑪-德爾塔調製器中，通過在數字域實施該增益和偏移量，可以簡單和有
效地實施變化的增益和偏移量控制。實際上，上述的實施方式中，XOR門可 被視為一個可編程放大器。
該XOR門可以由一個晶片內部的一個專門的邏輯單元所控制。
圖6根據上述的考慮示出了西格瑪-德爾塔調製器的一種一般的實施方式。
圖7示出了一種另一種的西格瑪-德爾塔調製器。
西格瑪-德爾塔調製器所允許的輸入範圍由反饋信號的高電壓和低電壓所 決定。在圖7所示的西格瑪-德爾塔調製器中，反饋信號的高電壓和低電壓被 設置為兩個邊界電壓。反饋信號是通過利用數字輸出信號在兩個邊界電壓之間 進行選擇而形成的。通過為邊界電壓選擇恰當的值而對西格瑪-德爾塔調製器 的有效的增益和偏移量進行控制。如圖7所示，為一種通過設置邊界電壓而控制有效的增益和偏移量的西格 瑪-德爾塔調製器。該調製器包括連接在一反饋迴路中的一求和單元701、 一積 分器702， 一量化器703和一選擇電路704。
求和單元被設置為接收一模擬輸入信號和由選擇電路輸出的一調控信號。 求和單元從模擬輸入信號中減去調控信號，將進行過減法運算的信號輸入至積 分器。該積分器對進行過減法運算的信號進行濾波，並向量化器輸出已濾波的 信號，該量化器將積分信號與一比較器中的基準信號作比較。如果積分器輸 出的信號大於該基準信號，則輸出T ，如果積分器輸出的信號小於該基準信號， 則輸出'O'。從而，該模擬輸入信號被轉換為一數字輸出信號。
調製器將該數字輸出信號輸出。該數字輸出信號還被反饋至選擇電路。選 擇電路的作用是通過調控信號設置西格瑪-德爾塔調製器的輸入範圍。
根據圖7中所公開的實施方式，該選擇電路包括一多路復用器705、第一 DAC706，第二 DAC707和一控制單元708。該多路復用器接收作為輸入的該 數字輸出信號和兩個邊界值。每個邊界值是由兩個DAC分別輸出的電壓值。 第一DAC輸出第一邊界值，而第二DAC輸出第二邊界值。每個DAC輸出的 電壓由控制單元產生的一個控制信號所控制。因此，控制單元通過兩個控制信 號能夠控制輸入至多路復用器的邊界值。
該控制單元可通過軟體實現，這適宜通過一數字信息處理器而實現。由控 制單元生成的控制信號可是數位訊號。數字輸出信號控制在任意給定的時間多路復用器輸出兩個邊界值中的哪
個邊界值。當數字輸出信號是高電平時，即當西格瑪-德爾塔調製器正輸出'r， 多路復用器輸出兩個邊界值中的一個。當數字輸出信號是低電平時，即當西格 瑪-德爾塔調製器正輸出'o'，多路復用器輸出兩個邊界值中的另外一個。因此， 由多路復用器輸出的調控信號包含與數字輸出信號相同序列的i和o，但是， 數字輸出信號中的每個'r和'o'的電平分別被兩個邊界值的各自的一個值所代 替。因此，通過調整兩個邊界值可以控制調控信號變化之間的上限和下限。這 樣，通過西格瑪-德爾塔調製器應用到模擬輸入信號的增益和偏移量可以由控 制單元直接地控制。
該控制單元可設置為監控模擬輸入信號，並且相應地調整反饋信號，使得 西格瑪-德爾塔調製器的解析度足夠地靈敏，使模擬輸入信號中的噪聲分量可 被有效地數位化，進而形成數字輸出信號。該控制單元可以，例如基於上述的 方程3，實施一監控過程。
圖8示出了一種可以由控制單元實現的簡單的算法。在步驟802中，該控 制單元最初將調製器的輸入範圍設置為相對大的範圍。然後，在步驟804中，
該控制單元監控模擬輸入信號，並調整調製器的有效偏移量，使得噪聲分量位 於調製器輸入範圍之內，而且在一些實施方式中，噪聲分量位於輸出範圍的中
間位置處。然後，在步驟806中，該控制單元減小調製器的輸入範圍，直到噪 聲分量跨越整個輸入範圍(從而得到對於噪聲波動的最大靈敏度)。這應當產 生具有高度熵的數字輸出信號。然後，在步驟808中，該控制單元監控數字輸
24出信號。數字輸出信號中1與0之間的比值可以大約為50: 50。如果數字輸出 信號中l與O之間的比值不是這種情形，則在步驟810中，該控制單元可以相 應地調整調製器的輸入範圍。例如，這可能有必要調整調製器的有效偏移量。 在步驟812中，該控制單元繼續監控模擬輸入信號，並且在需要時調整調製器 的輸入範圍。
應當明確地是，如上述的一階西格瑪-德爾塔調製器僅是舉例，本發明的 原理對於其它調製器來說仍然是相同的。可以使用任何種類的西格瑪-德爾塔 調製器，例如，模擬的，數字的或者開關電容。所示的環路濾波器特定為一積 分器。然而，可以使用任何使調製器對於輸入信號具有低通頻率響應的環路濾 波器。雖然，所示的量化器為二級類型，但是其可以為任何數量級的量化器。 根據本發明的方法適合任何階數的調製器。
根據本發明的一種隨機數發生器可以在一個寬的範圍內應用，如為安全應 用而產生的公共和私人密鑰(例如，在需要使用編碼的無線裝置設備或者其它 設備中)或者為了在採樣應用中產生隨機數(例如，為了使用在娛樂系統或者 在民意測驗中)。
模擬輸入信號中的噪聲分量可以由內在源提供，如內阻熱噪聲，散粒噪聲， 或者l/f噪聲。可供選擇地，可以通過外來源提供該噪聲分量，如射頻幹擾或 者大地電流。優選地，該噪聲源可以與使用隨機數發生器的特定實現相聯繫， 例如，如果該隨機數發生器被用在具有一無線電接收機的音頻系統中，這可以 方便地產生一作為模擬輸入信號的遭受射頻幹擾的信號。可以提供在輸入信號
25中故意增加噪聲的方法，可供選擇地，信號中存在的噪聲可以來源於所設計的 內在特徵。
據此，申請人在這裡分解地公開了每個單獨的特徵，以及兩個或者更多此 種特徵的任何一種結合，總體上達到了根據所屬領域的技術人員掌握的常識， 基於本說明書可以實現這種特徵或者結合的程度，不考慮這些特徵或者特徵的 結合是否解決了這裡公開的任何問題，並且沒有局限於權利要求的範圍。申請 人表明，本發明的多個方面可以由任何這些特徵或者特徵的結合而組成。鑑於 前面的描述，對於所屬領域的技術人員，顯然的是，在本發明的範圍內可以進 行多種變形。
權利要求
1、一種隨機數發生器，包括一西格瑪-德爾塔調製器，該西格瑪-德爾塔調製器具有一調製單元，包括一求和單元，設置為接收模擬輸入信號，該模擬輸入信號的因一處在第一電壓範圍上的噪聲而變化，該求和單元設置為對該模擬輸入信號與調控信號進行求和，以形成一求和輸出信號；一環路濾波器，設置為接收該求和輸出信號，並形成取決於求和輸出信號的濾波輸出信號；以及，一量化器，設置為接收該濾波輸出信號，將該濾波輸出信號與一量化器閾值進行比較，並根據比較情況，通過在兩個預定的電平中選擇一個作為數字輸出信號而形成數字輸出信號；另外，該西格瑪-德爾塔調製器進一步包括一反饋迴路，設置為接收該數字輸出信號，並形成取決於該數字輸出信號的調控信號，使得在任意給定的時刻，求和輸出信號的幅值與量化器閾值之間的絕對差值小於第一電壓範圍，因此，隨機數發生器能夠形成來源於模擬輸入信號，並且具有高度熵的數字輸出信號。
2、 根據權利要求1所述的一種隨機數發生器，其中反饋迴路包括一選擇電路， 設置為根據數字輸出信號在兩個邊界值中為調控信號選擇一個。
3、 根據權利要求2所述的一種隨機數發生器，其中調製單元設置為，使得如 果邊界值保持恆定，則在兩個邊界值之間範圍內數字輸出信號代表模擬輸入信 號的電平。
4、 根據權利要求2或3所述的一種隨機數發生器，其中介於兩個邊界值之間 的電壓範圍小於與該西格瑪-德爾塔調製器所關聯的一個標稱輸入範圍。
5、 根據權利要求2至4中任意一項所述的一種隨機數發生器，其中介於兩個 邊界值之間的電壓範圍小於0. IV。
6、 根據權利要求1至5中任意一項所述的一種隨機數發生器，其中調製單元 和反饋迴路分別地設置為反覆地產生數字輸出信號和調控信號，該選擇電路設 置為在每次反覆時在兩個邊界值中選擇一個邊界值。
7、 根據權利要求6所述的一種隨機數發生器，其中選擇電路設置為根據數字 輸出信號的瞬時值在兩個邊界值中選擇一個邊界值。
8、 根據權利要求7所述的一種隨機數發生器，其中量化器設置為在第一電平 和第二電平之間進行選擇為數字輸出信號選擇一個而形成數字輸出信號，選擇 電路設置為選擇邊界值中的第一邊界值作為對具有第一電平的數字輸出信號的 響應，並且選擇邊界值中的第二邊界值作為對具有第二電平的數字輸出信號的 響應。
9、 根據權利要求2至8中任意一項所述的一種隨機數發生器，其中隨機數發 生器包括一控制單元，該控制單元設置為監控由於模擬輸入信號中的噪聲所引 起的變化，並且取決於該變化，在兩個邊界值之間為的調控信號選擇一個。
10、 根據權利要求2至9中任意一項權利要求所述的一種隨機數發生器，其 中選擇電路包括一多路復用器，設置為接收該數字輸出信號，並根據該數字輸出信號輸出兩個邊界值中的一個。
11、 根據權利要求2至10中任意一項所述的一種隨機數發生器，其中控制 單元包含於選擇電路中，該控制單元設置為根據該模擬輸入信號生成第一和第 二控制信號。
12、 根據權利要求ll所述的一種隨機數發生器，其中選擇單元包括第一數 模轉換器和第二數模轉換器，第一數模轉換器和第二數模轉換器的每一個都設 置為分別接收第一和第二控制信號中的一個，並且根據那個控制信號分別輸出 一個邊界值。
13、 根據權利要求11或12所述的一種隨機數發生器，其中控制單元產生 第一和第二控制信號，以通過西格瑪-德爾塔調製器產生模擬輸入信號的有效放 大倍數。
14、 根據權利要求11至13中任意一項所述的一種隨機數發生器，其中控 制單元產生第一和第二控制信號，以通過西格瑪-德爾塔調製器產生模擬輸入信 號的有效偏移量。
15、 根據權利要求11至14中任意一項所述的一種隨機數發生器，其中兩 個邊界值中的每一個都與一個各自的電平相對應，並且可操作地是，該控制單 元通過產生第一和第二控制信號而產生模擬輸入信號的有效放大倍數，使得兩 個各自電平之間的差值減小。
16、 根據權利要求11至15中任意一項所述的一種隨機數發生器，其中兩個邊界值中的每一個都與一個各自的電平相對應，並且可操作地是，該控制單 元通過產生第一和第二控制信號而產生模擬輸入信號的有效偏移量，使得兩個 各自電平的和為非零值。
17、 根據權利要求9所述的一種隨機數發生器，其中控制單元設置為向選 擇電路輸出控制信號，且該選擇電路包括一邏輯電路，其被設置為根據控制信 號和數字輸出信號在兩個邊界值中選擇一個作為調控信號。
18、 根據權利要求17所述的一種隨機數發生器，其中控制單元產生控制信 號，使得數字輸出信號中被選擇的部分以過渡循環代替。
19、 根據權利要求18所述的一種隨機數發生器，其中控制單元通過由過渡 循環代替數字輸出信號的被增加的部分，可操作地增加西格瑪-德爾塔調製器的 有效增益。
20、 根據權利要求19或20所述的一種隨機數發生器，其中控制單元通過 產生控制信號，可操作地產生模擬輸入信號的有效偏移量，以由過渡循環代替 具有兩個預定值中一個值的數字輸出信號的主要的或者次要的部分。
21、 根據權利要求18至20中任意一項所述的一種隨機數發生器，其中一 個過渡循環的淨平均值與調製器的虛地電平相等。
22、 根據權利要求21所述的一種隨機數發生器，其中調製器的虛地電平為 兩個邊界值的中間值。
23、 根據權利要求9至22中任意一項權利要求所述的一種隨機數發生器，其 中將控制單元設置為確定具有兩個預定電平中一個電平的數字輸出信號的比 例，並且如果該比例不是絕對與50%相同，則產生模擬輸入信號的有效偏移量。
24、 將西格瑪-德爾塔調製器作為隨機數發生器的用途。
25、 基本如上結合附圖所述的一種隨機數發生器。
26、 基本如上結合附圖所述的一種西格瑪-德爾塔調製器的用途。
全文摘要
一種隨機數發生器，包括一西格瑪-德爾塔調製器，該西格瑪-德爾塔調製器具有一調製單元，包括一求和單元，設置為接收模擬輸入信號，該模擬輸入信號的變化歸因於處在第一電壓範圍上的噪聲，求和單元設置為對該模擬輸入信號與調控信號進行求和，以形成求和輸出信號；一環路濾波器，設置為接收該求和輸出信號，並形成取決於求和輸出信號的濾波輸出信號；以及，一量化器，設置為接收該濾波輸出信號，將濾波輸出信號與量化器閾值進行比較，並根據比較情況，通過在兩個預定的電平中選擇一個作為數字輸出信號而形成數字輸出信號；另外，該西格瑪-德爾塔調製器進一步包括一反饋迴路，設置為接收數字輸出信號，並形成取決於該數字輸出信號的調控信號，使得在任意給定的時刻，求和輸出信號的幅值與量化器閾值之間的絕對差值小於第一電壓範圍，因此，隨機數發生器能夠形成來源於模擬輸入信號，並且具有高度熵的數字輸出信號。
文檔編號H03M3/02GK101512480SQ200780033575
公開日2009年8月19日 申請日期2007年9月11日 優先權日2006年9月11日
發明者摩根·科爾曼, 羅伯·麥考雷 申請人:Gs Ip有限責任公司