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基于双相采样的真随机数发生器的研究与设计

基于双相采样的真随机数发生器的研究与设计

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作者：薛晖耀深圳大学

学位级别：硕士

在信息技术飞速发展的今天,信息安全问题存在于社会的各个角落。国家安全保障、国防建设、居民私生活保障以及个人财产保护等方面都离不开强大、稳定的信息安全系统。在信息安全体系中具有重要作用的信息加解密技术已成为相关领域科学... 详细信息

在信息技术飞速发展的今天,信息安全问题存在于社会的各个角落。国家安全保障、国防建设、居民私生活保障以及个人财产保护等方面都离不开强大、稳定的信息安全系统。在信息安全体系中具有重要作用的信息加解密技术已成为相关领域科学研究的目标。密钥作为加解密算法的核心输入,其质量与算法的性能直接影响信息安全系统的安全性。因此,作为密钥的随机数被视为加解密技术相关活动的关键。当前加密系统中常用决定性数学算法生成伪随机数,这类随机数大多仅具有有限的不可预测属性,这种属性随着计算资源、破解水平的提高会越来越脆弱甚至消失,因此需要更高质量随机数以保证加密系统正常运作。随机性能强且不可再现的随机数被称为真随机数,这样的随机数是通过转化随机物理现象获取的。用于生成真随机数的典型硬件真随机数发生器以熵源提取方案作为分类依据,包括:1、直接放大噪声;2、基于离散时间混沌;3、基于振荡器采样;4、基于电路亚稳态四种类型。本文主要针对基于振荡器采样的真随机数发生器进行研究。首先整理影响熵源提取模块性能的几个因素:低频信号抖动标准差与高频信号周期比值、采样沿位置以及高频信号占空比;通过分析高频信号占空比影响熵源提取模块输出的方式,提出一种振荡器双相采样架构,模拟计算结果说明,对比经典的振荡器单相采样架构,双相采样架构能够有效降低前者对被采样信号占空比变化的高敏感性。本文第四章在前面章节的基础上利用SMIC工艺进行电路实现,以基于施密特触发器的低频振荡器以及一种新型的耦合环形振荡器结合作为熵源提取模块,构造基于振荡器双相采样的真随机数发生器,并设计了提供参考电压的带隙基准电压源。仿真数据表明该真随机数发生器能够在1.2V的电压下正常工作,输出吞吐率为6.8Mbps,核心电路总功耗为220.08μW,核心电路面积为0.007mm2。本设计的输出随机数可通过包含NIST SP 800-22测试集以及自相关测试在内的全部测试。

关键词：真随机数发生器振荡器双相采样施密特触发器噪声放大器耦合环形振荡器

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