產生隨機數字的方法
2023-06-12 23:34:11 2
專利名稱：產生隨機數字的方法
技術領域：
本發明涉及產生隨機數字的方法，並且更具體地涉及產生基本上不具有周期性的均勻的或純粹的隨機數字的方法。
背景技術：
具有相同發生頻率的無序的隨機數字作為一個整體，已經廣泛地應用在數值模擬中，用於分析社會現象和物理現象。為了保護電子交易、電子病例記錄和遠程電子診斷中的個人信息，還已經提出了利用隨機數字的編碼系統。
通常，通過電子計算機的軟體產生隨機數字，其中使用了用於產生具有特定分布屬性的數字的算法。但是，在通過計算機算法產生隨機數字的情況中，由於根據特定的數學公式產生隨機數字，不能產生既不具有周期也不具有規律的純粹的隨機數字。因此，當藉助這種偽隨機數字對重要的個人數據進行編碼時，編碼後的數據可能很容易地被解碼並且將得不到保護。
為了減輕上面提到的缺點，還已經提出在由電子元件例如電阻和二極體產生的電子噪音的基礎上產生隨機數字。但是，由電阻產生的噪音具有所謂的1/f特徵。也就是說，較低頻率的噪音分量具有較高的振幅而較高頻率的噪音分量具有較低的振幅。因此，當在根據噪音的振幅而得到的二階信號的基礎上產生隨機數字時，存在的問題在於所產生的隨機數字由於1/f特徵而具有周期。以這種方式，不能產生不具有周期的均勻的或純粹的隨機數字。二極體也產生1/f噪音，並且因此由二極體噪音產生的隨機數字也具有周期。
發明概述為了其目的，本發明提供一種產生隨機數字的方法，用於從具有1/f特徵的噪音中產生既沒有周期也沒有規律的基本上純粹的隨機數字。
根據本發明，產生隨機數字的方法包括步驟從第一噪音發生器電路產生具有1/f特徵的第一噪音，和從第二噪音發生器電路產生具有1/f特徵的第二噪音；將從第一和第二噪音發生器電路產生的具有1/f特徵的所述第一和第二噪音提供給差分電路，從而得到所述第一噪音和所述第二噪音之間的差分信號；和從所述差分信號產生隨機數字，其不具有基於第一和第二噪音的1/f特徵的周期性。
在根據本發明的產生隨機數字的方法中，儘管由第一和第二噪音發生器電路產生的第一和第二噪音具有1/f特徵，但基於這樣的事實消除具有較高頻率即較高發生頻率的噪音分量的可能性，變得高於消除具有較低頻率即較低發生頻率的噪音分量的可能性，並且由此以來噪音的整個頻率範圍上的發生頻率變得均勻，使得從這些噪音中得到的差分信號不會由於1/f特徵而具有周期。因此，在由差分電路產生的差分信號中，已經消除了基於1/f特徵的周期，並且可以產生沒有周期的純粹的隨機數字。
在根據本發明的隨機數字產生方法的一個優選實施例中，來自差分電路的輸出信號提供給模擬-數字轉換電路，並且由此轉換為數位訊號。由此從模擬-數字轉換電路中產生的數位訊號用來作為隨機數字。在這種情況中，通過改變各段數位訊號序列的長度可以得到各種類型的隨機數字。
在根據本發明的隨機數字產生方法的另一個優選實施例中，從由所述模擬-數字轉換電路產生的數位訊號的一個比特或多個比特得到單個的數碼，然後該數碼與預定的閾值電平進行比較。當數字等於或大於該閾值電平時，分配二進位數「1」，而當數字小於閾值電平時，分配二進位數「0」。在這種情況中，檢測「1」和「0」的發生概率，可以調整所述閾值電平使得「1」和「0」的發生概率變為0.5或接近0.5。可選擇地，例如通過所產生的隨機數字，可以調整檢測「1」和「0」的發生概率的期間。
附圖的簡要說明
圖1是電路圖，表示在根據本發明的隨機數字發生方法中使用的噪音發生電路的一個實施例；圖2是框圖，表示根據本發明的隨機數字發生電路的一個實施例；圖3是流程圖，表示圖2中所示隨機數字發生電路的工作原理；圖4是圖表，表示由根據本發明的方法產生的隨機數字的分布；和圖5是圖表，表示由已知方法產生的隨機數字的分布。
優選實施例的描述圖1是電路圖，表示在根據本發明的隨機數字發生方法中使用的噪音發生電路的一個實施例。在該實施例中，採用二極體作為噪音源。由於由二極體產生的噪音非常微弱，放大該噪音。與此同時，除去可能包含在DC電源中的周期性雜音。施加有12v的DC電壓的終端11通過電阻12、13和電解電容14、15與放大器16的正向輸入端連接。電阻13與電解電容14之間的公共連接點與噪音發生二極體17的陽極連接，該二極體的陰極與地電位連接。電解電容18和19連接在地電位和電阻12和13的連接點之間。
放大器16的輸出終端通過反饋電阻21和22與地電位連接，這些反饋電阻之間的連接點與放大器16的反向輸入端連接。放大器16的輸出端通過耦合電解電容23與高通濾波器24連接。耦合電解電容23和高通濾波器24之間的連接點通過電阻25與地電位連接。通過提供高通濾波器24，可以除去包含在噪音中的周期性分量例如雜音。因此，在與高通濾波器24連接的輸出端處，得到由二極體17產生並且由放大器16放大的噪音。該噪音具有1/f特徵並且稱為噪音信號。在圖1中，作為參考表示了電阻和電解電容的值，但應當注意到本發明不限於這些值。
圖2是框圖，表示根據本發明的隨機數字發生電路的一個實施例。給出了分別由圖1中所示的噪音發生電路構成的第一和第二噪音發生電路31和32。從第一和第二噪音發生電路31和32產生的具有1/f特徵的噪音信號提供給差分電路33，並且得到這些噪音信號之間的差值。分別從第一和第二噪音發生電路31和32中產生的噪音信號具有1/f特徵，其中具有較低頻率的噪音分量具有較大的振幅而具有較高頻率的噪音分量具有較小的振幅。因此，當具有這種1/f特徵的噪音信號受到模擬-數字轉換時，較小的數位訊號的發生頻率變成高於較大的數位訊號的。這導致轉換後的數位訊號中的周期性。因此，如果從這種具有周期的數位訊號中產生隨機數字，該隨機數字同樣具有周期。以這種方式，不能得到純粹的隨機數字。
在本發明中，為了消除上面提到的周期性，從第一和第二噪音發生電路31和32產生的噪音信號提供給差分電路33，並且得到它們之間的差值。然後，具有較高頻率的噪音分量的概率高於具有較低頻率的噪音分量的概率，對具有較高頻率的噪音分量的發生頻率的減小遠遠多於具有較低頻率的噪音分量的發生頻率。因此，減小由差分電路33產生的差值信號的周期，通過來自差分電路33的差值信號可以產生不具有基於1/f特徵的周期性的隨機數字。
在該實施例中，來自差分電路33的差值信號提供給模擬-數字轉換電路34並且轉換成數位訊號。由此產生的數位訊號提供給計算電路35。在計算電路35中，來自模擬-數字轉換電路34的數位訊號可以作為隨機數字輸出，或者通過改變數字轉換後的值的片段輸出其它隨機數字。在該實施例中，在計算電路35中，由數位訊號的一個比特或多個比特形成數字的值，並且由此形成的數字值與預定的閾值數值相比較，產生隨機數字的二值比特「1」和「0」。
當通過與計算電路35中的閾值數值相比較產生的「1」和「0」比特作為隨機數字輸出時，由於這些「1」和「0」的發生頻率沒有受到控制，這些隨機數字可能不同於純粹的隨機數字。在該實施例中，在計算電路35中，計算「1」和「0」比特的發生頻率和調整閾值數值，使得發生的頻率變為0.5或接近0.5。
圖3是流程圖，表示通過計算「1」和「0」比特的發生頻率和通過調整閾值數值使得發生頻率變為0.5或接近0.5，產生純粹的隨機數字的過程。在步驟S1中，由模擬-數字轉換電路33提供的數位訊號的大小與閾值電平相比較，當數位訊號不小於閾值電平時產生「1」比特而當數位訊號小於閾值電平時產生「0」。接下來，在步驟S2中，計算在一個預定的周期中「1」比特和「0」比特的發生頻率。
另外，在步驟S3中，判斷計算出的「1」比特和「0」比特的頻率是否接近0.5。如果判斷該發生頻率不接近於0.5，在步驟S4中，改變閾值電平。在這種情況中，當「1」比特的發生頻率高於「0」比特的發生頻率時，增大閾值電平，但是當「1」比特的發生頻率低於「0」比特的發生頻率時，減小閾值電平。
通過重複上述步驟，「1」比特和「0」比特的發生頻率變為接近0.5，並且當在步驟S3中判斷「1」比特和「0」比特的發生頻率變為接近0.5時，在步驟S5中記錄由「1」比特和「0」比特構成的隨機數字的數據，並且當在步驟S6中證實已經記錄了所需要數量的隨機數字時，在步驟S7中結束隨機數字的記錄。
圖4是圖表，表示由根據本發明的方法產生的隨機數字的分布。在圖4中，繪製了3000個點，其中每一個確定為使得產生的二進位數除以每16個比特，並且由第一個和最後一個八比特限定的值分別繪製在垂直軸和水平軸上。圖5是圖表，表示已知方法的隨機數字的分布，其中僅僅使用了單個噪音發生電路。在根據本發明的方法中，3000個點均勻地分布，因此可以理解這些隨機數字不具有基於噪音發生源的1/f特徵的周期性。但是，在圖5中所示的已知方法中，一些點集中在特定的區域中形成噴濺的圖案，並且因此隨機數字具有周期性。
本發明不限於上面所解釋的實施例中，而是在本發明的範圍內本領域技術人員可以做出多種變形和改進。例如，在上面的實施例中，通過二極體構成用於產生具有1/f特徵的噪音的噪音發生源，但可以通過其它元件例如電阻形成。
如所詳細解釋的，在根據本發明的方法中，通過得到由兩個噪音發生電路產生的兩個噪音之間的差值，可以消除噪音的1/f特徵，並且從所述差值中可以產生不具有周期的純粹的隨機數字。當通過使用這種隨機數字產生編碼時，它們不能很容易地被解碼。這有利於重要信息的安全性的改進並且本發明的社會價值非常重大。此外，根據本發明，通過控制二進位數「1」和「0」的發生頻率可以調整隨機數字的特徵，並且因此根據這種隨機數字編碼的信息將更加不容易被解碼。
權利要求
1.一種產生隨機數字的方法，包括步驟從第一噪音發生器電路產生具有1/f特徵的第一噪音，和從第二噪音發生器電路產生具有1/f特徵的第二噪音；分別將從第一和第二噪音發生器電路產生的具有1/f特徵的所述第一和第二噪音提供給差分電路，從而得到所述第一噪音和所述第二噪音之間的差分信號；和從所述差分信號產生隨機數字，該隨機數字不具有基於第一和第二噪音的1/f特徵的周期性。
2.根據權利要求1所述的方法，其中差分電路產生的差值信號經模擬-數字轉換電路轉換為數位訊號，並且由此轉換後的數位訊號作為隨機數字輸出。
3.根據權利要求2所述的方法，其中通過改變各段數位訊號度來調整隨機數字的本質。
4.根據權利要求2所述的方法，其中從由所述模擬-數字轉換電路產生的數位訊號的一個比特或多個比特得到單個的數碼，然後該數碼與預定的閾值電平進行比較，當數碼等於或大於該閾值電平時，分配成二進位數「1」，而當數字小於閾值電平時，分配成二進位數「0」。
5.根據權利要求4所述的方法，其中在給定的周期內檢測「1」和「0」的發生概率，並且調整所述閾值電平使得「1」和「0」的發生概率變為給定的值。
6.根據權利要求5所述的方法，其中調整所述閾值電平使得「1」和「0」的發生概率變為0.5或接近0.5。
7.根據權利要求5所述的方法，其中調整檢測「1」和「0」的發生概率的所述周期。
8.根據權利要求7所述的方法，其中根據產生的隨機數字調整檢測「1」和「0」的發生概率的所述周期。
9.根據權利要求1所述的方法，其中通過設在所述第一和第二噪音發生電路中的噪音發生元件產生每個所述第一和第二噪音。
10.根據權利要求9所述的方法，其中通過二極體或電阻形成所述噪音發生元件。
全文摘要
在從具有1/f特徵的噪音中產生純粹的隨機數字的方法中,具有1/f特徵的第一噪音和具有1/f特徵的第二噪音提供給差分電路,得到第一噪音和第二噪音之間的差分信號,從而消除1/f特徵的影響。然後,從該差分信號中產生的隨機數字不具有基於第一和第二噪音的1/f特徵的周期性。
文檔編號H03K3/84GK1340759SQ0112437
公開日2002年3月20日 申請日期2001年7月24日 優先權日2000年7月24日
發明者齊藤義明 申請人:新澙大學