Генератор случайной двоичной последовательности

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при моделировании случайных процессов. Генератор случайной двоичной последовательности обладает повышенной частотой выходных импульсов и устойчив в работе в условиях внешних воздействий и помех, в том числе умышленного характера. Технический результат изобретения - снижение числа обратных связей и обеспечение их минимальной глубины при обеспечении возможности реализации генератора на одном кристалле. Генератор случайной двоичной последовательности включает группу 10 из N (N≥2) невзаимосвязанных генераторов 12 периодического импульсного сигнала. Источник 14 управляющего сигнала содержит генератор 16 периодического сигнала и делитель 18 частоты. Блок 20 формирования случайной импульсной последовательности содержит мультиплексор 22 с прямыми и инверсными входами и счетчик 24, регистр 30. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при моделировании случайных процессов в измерительной технике, а также как генератор случайных чисел в игровых устройствах различного исполнения.

Обычно генераторы случайных чисел построены на базе элементов, использующих тепловой или дробовой шум, который является источником для формирования искомой случайной двоичной последовательности. Используемые широкополосные усилители с большим коэффициентом усиления чувствительны к внешнему воздействию, требуют средств защиты от помех по питанию: термостабилизации, экранов, фильтров и обладают большими габаритами. Ширина спектра таких генераторов ограничена полосой пропускания усилителя, которая не может быть бесконечной и падает с увеличением коэффициента усиления (см., например, Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов, изд. 2-е. - М.: Энергия, 1973, с.23-28).

Описано большое число схемных решений генераторов случайных сигналов, которые реализуются в виде генераторов псевдослучайной и истинно случайной импульсной последовательности. Известен генератор псевдослучайной последовательности, в котором используются импульсные генераторы с заведомо разными частотами, связанные через мультивибраторы с выходным устройством, которым и формируется искомая последовательность (GB 0998283, CEIR, Inc., 1965). В другом изобретении для генерирования псевдослучайной импульсной последовательности использован ряд генераторов случайных импульсов, элементы И, регистр сдвига, генератор тактовых импульсов, счетчик-делитель, дешифратор, инвертор (SU 0932602, Шевелкин, 1982). В изобретении (SU 1698960, Григорьев и др., 1991) для генерирования псевдослучайной импульсной последовательности также использован ряд генераторов псевдослучайных сигналов, элемент НЕ, генератор тактовых импульсов и счетчик импульсов. Однако такие генераторы принципиально не могут обеспечить формирование истинно случайной последовательности и поэтому имеют связанные с этим функциональные недостатки.

Известен генератор случайных чисел, содержащий блок запуска, связанный через резисторы с импульсными генераторами, имеющими разные частоты, выходы которых подключены к управляемому коммутатору (ЕР 0990982, Hamasako Shuki, 2000). Вследствие последовательного запуска генераторов импульсов на выходе каждого из каналов генерируется совокупность случайных чисел, определяемая соотношением частот генераторов и работы коммутатора. Однако это решение не предусматривает формирования единой шины с выходной случайной двоичной последовательностью. Описаны другие устройства для генерации истинных случайных чисел. В изобретении (WO 2004051458, Ehrhardt et al., 2004) использованы два генератора, один из которых связан со счетчиком, а другой осуществляет коммутацию и подключен к микропроцессору, что позволяет генерировать последовательность с частотой 1 Мбит/с. Устройство для генерации истинной случайной последовательности для криптографических целей (US 6807553 В2, Oerlemans, 19.10.2004) использует ряд каскадов осцилляторов, включенных последовательно в цепи обратной связи, имеющих различные спектры колебаний.

Наиболее близким по совокупности признаков является генератор случайных процессов, состоящий из группы независимо работающих генераторов импульсов, схемы ИЛИ, триггера, выходы которого через управляющие клапаны соединены соответственно с "1" и "0" входами триггера, два идентичных независимо работающих генератора импульсов, схему ИЛИ и линию задержки (ЛЗ). Ко вторым входам управляющих клапанов и ко входу ЛЗ подключены генераторы импульсов. Выход ЛЗ подсоединен к счетному входу триггера, его выход является выходом генератора случайных процессов (SU 0354551, Хамитов, 1972). На выходе генератора формируется бинарный случайный сигнал, поскольку собственные частоты следования импульсов двух упомянутых генераторов выбраны близкими друг к другу и поэтому на выходе схемы ИЛИ формируется тактовая случайная последовательность. То обстоятельство, что выходной поток данных тактируется случайной последовательностью импульсов, снижает вероятность генерации истинно случайных чисел.

Настоящее изобретение направлено на создание генератора истинной случайной двоичной последовательности с повышенной частотой выходных импульсов и устойчивого в работе в условиях внешних воздействий и помех, в том числе умышленного характера.

Технический результат изобретения - снижение числа обратных связей и обеспечение их минимальной глубины при обеспечении возможности реализации генератора на одном кристалле.

Технический результат достигается тем, что генератор случайной двоичной последовательности содержит группу по меньшей мере из двух невзаимосвязанных генераторов периодического импульсного сигнала, источник управляющего сигнала, блок формирования случайной импульсной последовательности и выходной регистр. Выход каждого из генераторов группы связан с соответствующим информационным входом блока формирования случайной импульсной последовательности, информационный выход которого связан с информационным входом регистра, выход которого является выходом устройства. Выход источника управляющего сигнала подключен к управляющему входу блока формирования случайной импульсной последовательности и к тактовому входу выходного регистра.

Генератор может характеризоваться тем, что каждый из генераторов периодического импульсного сигнала выполнен в виде инвертора, охваченного положительной обратной связью.

Генератор может характеризоваться и тем, что блок формирования случайной импульсной последовательности содержит мультиплексор и счетчик, выходы которого подключены к адресному входу мультиплексора, прямые и инверсные информационные входы мультиплексора являются информационными входами блока, счетный вход счетчика является управляющим входом блока формирования, а выход мультиплексора является выходом блока.

Генератор может характеризоваться также и тем, что источник управляющего сигнала состоит из последовательно соединенных генератора периодического сигнала и делителя частоты, выход которого является выходом источника управляющего сигнала.

Генератор может характеризоваться и тем, что реализован на единичном базовом матричном кристалле.

Патентуемое схемотехническое решение генератора случайной двоичной последовательности позволяет обеспечить минимальное количество и глубину (не более 1) обратных связей, отрицательно влияющих на технологичность и компактность генератора, а также ухудшающих его частотные характеристики. Максимальная частота ограничивается только частотой работы применяемых логических элементов, а в экспериментальных образцах она составила до 95 Мбит/с.

Возможность реализации генератора на одном кристалле позволяет получить компактное, автономное, устойчивое к внешним воздействиям, в том числе умышленного характера (температура, ЭМИ), устройство, что особенно важно при использовании в игровых автоматах. Устойчивость частотных и спектральных характеристик генератора обусловлена одинаковым влиянием внешних факторов на все элементы устройства. Это же обстоятельство снижает чувствительность к помехам по цепи питания.

По отношению к ближайшему аналогу (SU 0354551), который содержит группу по меньшей мере из двух невзаимосвязанных генераторов периодического импульсного сигнала, выходной регистр и источник управляющего сигнала, выход которого соединен с тактовым входом выходного регистра, патентуемый генератор отличается введенным блоком формирования случайной импульсной последовательности. При этом выход каждого из генераторов группы связан с соответствующим информационным входом упомянутого блока, информационный выход которого связан с информационным входом выходного регистра, выход которого является выходом устройства, а выход источника управляющего сигнала подключен к управляющему входу упомянутого блока формирования случайной импульсной последовательности.

Функциональная схема устройства приведена на чертеже. Генератор случайной двоичной последовательности включает группу 10 из N (N≥2) невзаимосвязанных генераторов 12 периодического импульсного сигнала. Каждый из генераторов 12 может быть выполнен, например, на КМОП инверторе с короткозамкнутой обратной связью. Выходной сигнал такого генератора имеет форму, близкую к симметричной (скважность ˜2) и частоту генерации - порядка сотен мегагерц.

Источник 14 управляющего сигнала состоит из последовательно соединенных генератора 16 периодического сигнала, который может быть выполнен аналогично генератору 12, и делителя 18 частоты. Выход делителя 18 является выходом источника 14.

Блок 20 формирования случайной импульсной последовательности содержит мультиплексор 22 с прямыми и инверсными входами и счетчик 24. Выходы счетчика 24 подключены к адресным входам мультиплексора 22. Прямые и инверсные информационные входы мультиплексора 22 являются информационными входами блока 20. Счетный вход счетчика 24 является управляющим входом блока 20 формирования, а выход мультиплексора 22 является выходом этого блока. Регистр 30, в простейшем случае, может быть выполнен на D-триггере или другим известным для специалиста образом.

Устройство работает следующим образом. Выходной сигнал каждого генератора 12 поступает на соответствующий вход мультиплексора 22, который управляется двоичным счетчиком 24. Состояние счетчика 24 изменяется по приходу каждого последующего импульса с выхода источника 14 управляющего сигнала. Тем самым обеспечивается поочередная передача соответствующего входного сигнала (прямого или инвертированного) на выход мультиплексора 22, то есть на выход блока 20, от одного из генераторов 12.

Нормализация выходных сигналов блока 20, а именно устранение дребезга, осуществляется в регистре 30 за счет фиксации сигнала по такту счетчика 24. В результате, на выходе 31 регистра 30, который является выходом устройства, формируется случайная двоичная импульсная последовательность, имеющая требуемые параметры.

Тестирование патентуемого генератора проводилось с использованием теста из источника "DIEHARD Battery of Test of Randomness" (http://www.csis.hku.hk/˜diehard/). Съем сигнала выполнялся с помощью 16-разрядного сдвигового регистра на различных частотах. Размер данных для тестирования составлял не менее 10 Мбайт. Результаты тестов приведены ниже.

Количество генераторов в группе	Частота сдвига (кГц)	p-values
16	100	0.090460
16	500	0.65141
16	1000	0.447471

Проведенное тестирование показало, что формируемая последовательность логических сигналов удовлетворяет статистическим критериям, принятым для характеристики двоичной последовательности как истинно случайной (True Random Numbers).

Промышленная применимость. Устройство может быть реализовано на современной элементной базе, например, с использованием БМК (базовый матричный кристалл), ПЛМ (программируемая логическая матрица) и других известных компонентов, технологий и средств вычислительной техники.

1. Генератор случайной двоичной последовательности, содержащий группу по меньшей мере из двух невзаимосвязанных генераторов периодического импульсного сигнала, источник управляющего сигнала, блок формирования случайной импульсной последовательности, выходной регистр, в котором выход каждого из генераторов группы связан с соответствующим информационным входом блока формирования случайной импульсной последовательности, информационный выход которого связан с информационным входом регистра, выход которого является выходом устройства, а выход источника управляющего сигнала подключен к управляющему входу блока формирования случайной импульсной последовательности и к тактовому входу выходного регистра.

2. Генератор по п.1, характеризующийся тем, что каждый из генераторов периодического импульсного сигнала выполнен в виде инвертора, охваченного положительной обратной связью.

3. Генератор по п.1, характеризующийся тем, что блок формирования случайной импульсной последовательности содержит мультиплексор и счетчик, выходы которого подключены к адресному входу мультиплексора, прямые и инверсные информационные входы мультиплексора являются информационными входами блока, счетный вход счетчика является управляющим входом блока формирования, а выход мультиплексора является выходом блока.

4. Генератор по п.1, характеризующийся тем, что источник управляющего сигнала состоит из последовательно соединенных генератора периодического сигнала и делителя частоты, выход которого является выходом источника управляющего сигнала.

5. Генератор по п.1, характеризующийся тем, что реализован на единичном базовом матричном кристалле.