隨機電信號發生器及隨機碼生成器的製作方法
2023-07-01 02:00:16 1
專利名稱：隨機電信號發生器及隨機碼生成器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於數據加密等用途的真隨機數領域，特別指一種電極間的多球振蕩真隨機電信號發生器及隨機碼生成器。
背景技術：
數據加密對於當今電子信息高度發達的社會具有非常重要的作用，隨機數對於信號加密以其隨機性、獨立性和不可預測性的特點而具有保密性，被逐漸重視和推廣應用。通常生成隨機數通常有兩種方式，ー種是利用自然界的隨機現象來生成的真隨機數，另ー種是使用複雜的數學函數來構造偽隨機數。偽隨機數的不可破解性完全依靠數學函數的複雜性，隨著計算機技術的不斷發展，偽隨機數被推斷出生成規律的機率越來越高。這就要求有更加安全的隨機數生成方式，也就是真隨機數的生成。真隨機數的生成依靠自然界的隨機現象，包括自然噪聲、原子核衰變等不可預測或重複的物理過程。為了方便使用與集成，需要真隨機數的構造足夠簡単。現有的ー些真隨機數發生器，在構成上較為複雜，或者是對工作的環境有特別的要求。本發明針對這種情況，設計了一種結構簡單的工作範圍更廣的隨機電信號發生器及真隨機數發生器。
發明內容
本發明提供一種應用多球振蕩而產生真隨機電信號發生器及隨機碼生成器。本發明提供的這種多球振蕩真隨機電信號發生器包括，包括兩個間隔放置的電極板及加於兩個電極板間的直流電壓源，其中兩個電極板間放置有若干個微米級金屬球體。在直流充電狀態下，金屬球體在靜電使用力、重力使用下在兩個電極板間充放電，來回跳動，對電路中的電流產生影響。優選地，直流電壓源電路上設有採樣電阻，通過該採樣電阻的電壓偵測可以得到無序的脈衝信號。優選地，隨機電信號發生器還包括壓電陶瓷片組與交流信號發生器，其中壓電陶瓷組包括與所述其中一電極板貼合的壓電陶瓷片和ー導電板，交流信號發生器加於該電極板和導電板之間。用於減小兩個電極板間的電壓輸出。優選地，微米級金屬球體直徑d在4微米至700微米之間，微米級金屬球體數量在50-500個之間。優選地，電極間距L應該滿足d〈L〈2d的關係，其中d為微米級金屬球體中最大球體的直徑。本發明的另ー個目的是提供ー種隨機碼生成器，包括以上所述的隨機電信號發生器，還包括與隨機電信號發生器依次連接的信號放大器，用於將脈衝電信號放大；觸發器，用幹與預設的幅值閾值進行比較，轉換為1/0碼輸出，當電信號高於閾值時，輸出為I ;當電信號低於閾值時，輸出為0 ;
移位寄存器，用於存儲觸發器輸出的1/0碼。優選地，所述隨機電信號發生器還包括濾波器，信號放大器與濾波器連接。本發明所提供的另ー種隨機碼生成器，同樣包括以上所述的隨機電信號發生器，還包括與隨機電信號發生器依次連接的信號放大器，用於將脈衝電信號放大；整形器，用於將上述放大的脈衝電信號整形，有出現脈衝的區域形成高電平，無脈衝的區域形成低電平，輸出為方波信號；運算器，用於將生成的方波信號與一個標準方波信號進行運算，轉換成1/0碼。移位寄存器，用於經運算器轉換成的1/0碼。優選地，所述隨機電信號發生器還包括濾波器，信號放大器與濾波器連接。本發明所提供的隨機電信號發生器及隨機碼生成器利用微米級金屬球體在兩個電極板間來回充放電，產生不確定的電壓脈沖，是真隨機數發生的有效方式，同時還提供了幅值模式和時間模式兩種隨機碼的生成器，將隨機碼生成器產生的電信號按照預設閾值的要求轉換成1/0碼，進而轉換為8-128位並行信號輸出給外部設備使用。本發明設備組合簡單，真隨機電信號無序不可預設，保密性好。
圖1是本發明實施例隨機電信號發生器的結構示意圖。圖2是本發明實施例隨機電信號發生器生產的隨機電信號圖。圖3是本發明實施例1幅值模式隨機碼生成器示意框圖。圖4是本發明實施例1幅值模式隨機電信號處理的過程示意圖。圖5是本發明實施例2時間模式隨機碼生成器示意框圖。圖6是本發明實施例2時間模式隨機電信號處理的過程示意圖。
具體實施例方式下面將結合附圖用實施例對本發明進ー步說明。實施例1如圖1所示，這種隨機電信號發生器10包括兩個間隔放置的電極板11及設置於兩個電極板11之間的若干個微米級金屬球體12組成的球體振蕩器13 (參見圖3)，球體振蕩器的兩個電極板11上加有直流電壓源15，其中，而且在直流電壓源電路上設有採樣電阻14。當使用直流電源15給電極板11充電之後,兩電極板11之間產生相應的電場。金屬球體12受到電場的作用力，克服阻力在兩個電極板11之間往復運動。當金屬球體12接觸到電極板11吋，將被充上電量為Q的電荷，並在電場力作用下向另一端電極板11做加速運動；當金屬球體12與另一端電極板11發生碰撞時，金屬球體12損失掉部分動能，將所攜帯的Q電量電荷釋放，並重新充上等量異號的電荷-Q，在電場カ的作用下向前一個電極板11加速運動。如此周期性往復運動。當金屬球體12接觸到電極板11充放電荷的時候，電極板11將出現ー個瞬時電流脈衝，在採樣電阻14上表現為ー個瞬時電壓脈沖。毎次充放電荷的數量也存在一定的隨機性。當電極板11間的金屬球體12數目增加後，不僅每個金屬球體12在電場的作用下做往復運動，並且在此過程中受到來自相鄰金屬球體12的影響，並且因為每個金屬球體12都有差異，金屬球體12運動不同步，彼此攜帶電量、電荷極性都不盡相同，因此受到的影響也不同。在這種多球體情況下，採樣電阻14上採樣電壓數據不再是有規律的脈衝信號，而是隨機性較強的雜散信號。為了增加隨機電信號的複雜性，微米級金屬球體直徑d在4微米至700微米之間，數量在50-500個之間，並且電極板11的間距L應該滿足d〈L〈2d的關係，其中d為金屬球體中最大球體的直徑。以上金屬球體12起振通過靜電力來驅動，即利用直流電壓源15給電極板11提供電勢差,通過電極板11之間的電場對金屬球體12的作用力來驅動球體振蕩。這種模式下，能夠生成較為純淨的噪聲信號，通常需要較強的電場，即直流電壓來實現驅動。然而，由於金屬球體12受到阻力，依靠電場カ驅動要求電極板11之間的電勢差較大，不易與CMOS等低壓電路集成。利用壓電陶瓷片有隨提供的交流信號大小和頻率產生機械形變的特性，本實施例採用壓電陶瓷組的外界驅動模塊驅動的方式解決以上問題。即通過交流信號發生器16給壓電陶瓷片17提供交流信號，驅動壓電陶瓷片17振動產生聲波、超聲波，可以驅動金屬球體運動。這樣可以在較小的電極電壓下產生噪聲信號，更加安全。圖中可見，其中壓電陶瓷組包括與其中一電極板11貼合的壓電陶瓷片17和一導電板18，交流信號發生器16加於該電極板11和導電板18之間。使用交流信號發生器16驅動吋，因為電極電壓降低，因此金屬球體12所攜帯的電量也隨之減小，電路中的隨機電信號也將隨之減小，輸出噪聲的功率降低。同時，也會在輸出的隨機電信號中増加壓電陶瓷片的振動信號，需要在後面的處理模塊中過濾，如濾波器。隨機電信號發生器生產的隨機電信號參見圖2。以上隨機電信號的產生還需要進ー步處理才能得到需要的隨機碼，而隨機電信號在幅值與時間上均存在隨機性，對應隨機碼生成器中的也有兩種不同模式，下面將結合圖3對幅值模式隨機碼生成器進ー步說明本實施例的幅值模式隨機碼生成器，在隨機電信號發生器10是在球體振蕩器13上加上直流電壓源15和交流信號發生器16驅動後產生隨機電信號，該隨機電信號需要通過後面依次連接的信號放大器21、觸發器22、移位寄存器23進ー步處理。其中，信號放大器21用於將脈衝電信號放大；觸發器22用幹與預設的幅值閾值進行比較，轉換為1/0碼輸出，當電信號高於閾值時，輸出為I ;當電信號低於閾值時，輸出為0 ;移位寄存器23用於存儲觸發器輸出的1/0碼。幅值模式隨機電信號處理的過程示意圖參考圖4，通過觸發器22的預設閾值將原始採集後放大的隨機電信號轉換為1/0碼輸出到移位寄存器，從串行信號轉換為8-128位並行信號，輸出給外部設備使用。對於使用了壓電陶瓷片和交流信號發生器而產生的隨機信號，噪音幹擾比較嚴重，需要予以過濾，如圖中所示，隨機電信號發生器10中還包括濾波器19，在隨機信息發送之前先由濾波器19進行過濾處理，信號放大器21與濾波器連接19。實施例2本實施例的隨機電信號發生器上一實施例相同，在此不予贅述，區別於上ー實施例，本實施例採用的是時間模式隨機碼生成器，圖1、圖2適用於本實施例。同時參見圖5，這種時間模式隨機碼生成器，在隨機電信號發生器10產生隨機電信號後，需要通過後面依次連接的信號放大器21、整形器31、運算器32及移位寄存器33進一歩處理。其中，信號放大器21的使用和上一實施例相同；整形器31用於將放大的脈衝電信號整形，有出現脈衝的區域形成高電平，無脈衝的區域形成低電平，輸出為方波信號；運算器32用於將生成的方波信號與一個標準方波信號進行運算，轉換成1/0碼；移位寄存器33，用於經運算器轉換成的1/0碼輸出。時間模式隨機電信號處理的過程示意圖參考圖6，通過運算器32的時鐘信號將原始採集後放大並整形的隨機電信號轉換為1/0碼輸出到移位寄存器33，轉換為8-128位並行信號輸出給外部設備使用。同理，隨機電信號發生器10中還包括濾波器19，用於對壓電陶瓷片產生的噪音幹擾信號進行過濾。以上兩個實施例分別介紹了幅值模式和時間模式隨機碼生成器，但通常一個設備可以同時具備兩種生成方式，而且可以共用相同功能的信號放大器21和移位寄存器23、33。以上雖然是本發明是參照其示例性的實施例被具體描述和顯示的，但是本領域的普通技術人員應該理解，在不脫離由權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以對其進行形式和細節的各種改變。
權利要求
1.一種隨機電信號發生器，其特徵在於，包括兩個間隔放置的電極板及加於兩個電極板間的直流電壓源，其中兩個電極板間放置有若干個微米級金屬球體。
2.根據權利要求1所述的隨機電信號發生器，其特徵在於，所述直流電壓源電路上設有米樣電阻。
3.根據權利要求2所述的隨機電信號發生器，其特徵在於，還包括壓電陶瓷片組與交流信號發生器，其中壓電陶瓷組包括與所述其中一電極板貼合的壓電陶瓷片和一導電板，交流信號發生器加於該電極板和導電板之間。
4.根據權利要求1或2或3所述的隨機電信號發生器，其特徵在於，所述微米級金屬球體直徑d在4微米至700微米之間。
5.根據權利要求4所述的隨機電信號發生器，其特徵在於，所述微米級金屬球體數量在50-500個之間。
6.根據權利要求4所述的隨機電信號發生器，其特徵在於，電極間距L應該滿足d〈L〈2d的關係，其中d為微米級金屬球體中最大球體的直徑。
7.一種隨機碼生成器，其特徵在於包括如權利要求1至6中任一所述的隨機電信號發生器，還包括與隨機電信號發生器依次連接的 信號放大器，用於將脈衝電信號放大； 觸發器，用於與預設的幅值閾值進行比較，轉換為1/0碼輸出，當電信號高於閾值時，輸出為I ;當電信號低於閾值時，輸出為O ; 移位寄存器，用於存儲觸發器輸出的1/0碼。
8.根據權利要求7所述的隨機碼生成器，其特徵在於所述隨機電信號發生器還包括濾波器，信號放大器與濾波器連接。
9.一種隨機碼生成器，其特徵在於包括如權利要求1至6中任一所述的隨機電信號發生器，還包括與隨機電信號發生器依次連接的 信號放大器，用於將脈衝電信號放大； 整形器，用於將上述放大的脈衝電信號整形，有出現脈衝的區域形成高電平，無脈衝的區域形成低電平，輸出為方波信號； 運算器，用於將生成的方波信號與一個標準方波信號進行運算，轉換成1/0碼。
移位寄存器，用於經運算器轉換成的1/0碼。
10.根據權利要求9所述的隨機碼生成器，其特徵在於所述隨機電信號發生器還包括濾波器，信號放大器與濾波器連接。
全文摘要
一種隨機電信號發生器，包括兩個間隔放置的電極板及加於兩個電極板間的直流電壓源，其中兩個電極板間放置有若干個微米級金屬球體，利用金屬球體與電極板間的靜電作用力來回充放電來生產電極間電路脈衝以達到產生隨機電信號的目的。本發明還提供一種幅值模式和時間模式隨機碼生成器，用於將隨機電信號轉換為1/0碼供外部設備使用。本發明設備組合簡單，真隨機電信號無序不可預設，保密性好。
文檔編號H02N1/00GK103023370SQ201310017029
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月17日 優先權日2013年1月17日
發明者陳鵬, 秦華, 孫建東 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所