JP3502065B2 - 乱数発生装置 - Google Patents
乱数発生装置Info
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- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims description 6
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
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- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
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-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F7/00—Methods or arrangements for processing data by operating upon the order or content of the data handled
- G06F7/58—Random or pseudo-random number generators
- G06F7/588—Random number generators, i.e. based on natural stochastic processes
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Manipulation Of Pulses (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、情報セキュリティ
用のＩＤパスワードや各種暗号鍵などに使用するための
乱数を発生する乱数発生装置に関する。
用のＩＤパスワードや各種暗号鍵などに使用するための
乱数を発生する乱数発生装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】ＩＤパスワードや各種
暗号鍵などの安全性を高めるには、１／０の出現確率が
各々１／２の等確率で、各ビットが他と独立してビット
間に相関のない真正乱数を使用する必要がある。真正乱
数は、実際にサイコロやコインを振るわけにもいかない
ので、電気的な雑音の電圧変化を測定するなどの物理乱
数を用いて生成することが多いが、物理乱数をそのまま
用いても真正乱数とはならない。
暗号鍵などの安全性を高めるには、１／０の出現確率が
各々１／２の等確率で、各ビットが他と独立してビット
間に相関のない真正乱数を使用する必要がある。真正乱
数は、実際にサイコロやコインを振るわけにもいかない
ので、電気的な雑音の電圧変化を測定するなどの物理乱
数を用いて生成することが多いが、物理乱数をそのまま
用いても真正乱数とはならない。
【０００３】物理乱数のビット列は、１／０が無規則に
出現するが、１／０の出現バランスは不確定さを持つた
めインバランスとなる。そのため、物理乱数のインバラ
ンスを解消する方法として、出力パルス列の積分値を乱
数生成側にフィードバックして雑音レベルを制御した
り、出力パルス列をシフトレジスタに入力してパラレル
変換したパルス列の論理和を求めて乱数を生成するなど
の方法が提案されている。ところが、いずれの方法も偶
然性に支配される要素が多いため、確実に１／０の出現
バランスを等確率にすることは困難であった。
出現するが、１／０の出現バランスは不確定さを持つた
めインバランスとなる。そのため、物理乱数のインバラ
ンスを解消する方法として、出力パルス列の積分値を乱
数生成側にフィードバックして雑音レベルを制御した
り、出力パルス列をシフトレジスタに入力してパラレル
変換したパルス列の論理和を求めて乱数を生成するなど
の方法が提案されている。ところが、いずれの方法も偶
然性に支配される要素が多いため、確実に１／０の出現
バランスを等確率にすることは困難であった。
【０００４】そこで本発明は、偶然性に支配されること
なく物理乱数のインバランスを解消して確実に１／０の
出現バランスを等確率にできる乱数発生装置を提供する
ことを目的になされたものである。
なく物理乱数のインバランスを解消して確実に１／０の
出現バランスを等確率にできる乱数発生装置を提供する
ことを目的になされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は以下のように構成した。すなわち、請求
項１の発明は、物理的な雑音を測定してランダム雑音を
発生するランダム雑音発生手段と、このランダム雑音を
波形整形してランダムパルス波を生成するランダムパル
ス波生成手段と、このランダムパルス波を一定周期のク
ロックでサンプリングしてサンプル値のオン・オフをパ
ルス符号とする一定周期の２値パルス列に変換する２値
パルス列変換手段と、この２値パルス列の極性を一定周
期おきに反転させて所定の単位符号長における１／０符
号の出現バランスを平滑化する２値パルス列符号平滑化
手段と、を備え、前記２値パルス列符号の乱数列を発生
してなる乱数発生装置である。
めに、本発明は以下のように構成した。すなわち、請求
項１の発明は、物理的な雑音を測定してランダム雑音を
発生するランダム雑音発生手段と、このランダム雑音を
波形整形してランダムパルス波を生成するランダムパル
ス波生成手段と、このランダムパルス波を一定周期のク
ロックでサンプリングしてサンプル値のオン・オフをパ
ルス符号とする一定周期の２値パルス列に変換する２値
パルス列変換手段と、この２値パルス列の極性を一定周
期おきに反転させて所定の単位符号長における１／０符
号の出現バランスを平滑化する２値パルス列符号平滑化
手段と、を備え、前記２値パルス列符号の乱数列を発生
してなる乱数発生装置である。
【０００６】請求項２の発明は、前記ランダム雑音の発
生間隔をパルスのオン・オフ時間として前記ランダムパ
ルス波を生成してなる請求項１記載の乱数発生装置であ
る。請求項３の発明は、前記ランダム雑音発生手段を複
数用いて合成したランダム雑音を前記ランダムパルス波
生成手段に入力して前記ランダムパルス波のオン・オフ
の発生頻度を増大させてなる請求項１記載の乱数発生装
置である。請求項４の発明は、前記ランダムパルス波生
成手段を対数増幅器とコンパレータおよび単安定マルチ
バイブレータまたはトグルフリップフロップで構成して
なる請求項１記載の乱数発生装置である。請求項５の発
明は、前記２値パルス列符号平滑化手段を前記クロック
の周波数を１／２に分周する１／２分周器とマルチプレ
クサまたはＸＯＲゲートで構成してなる請求項１記載の
乱数発生装置である。
生間隔をパルスのオン・オフ時間として前記ランダムパ
ルス波を生成してなる請求項１記載の乱数発生装置であ
る。請求項３の発明は、前記ランダム雑音発生手段を複
数用いて合成したランダム雑音を前記ランダムパルス波
生成手段に入力して前記ランダムパルス波のオン・オフ
の発生頻度を増大させてなる請求項１記載の乱数発生装
置である。請求項４の発明は、前記ランダムパルス波生
成手段を対数増幅器とコンパレータおよび単安定マルチ
バイブレータまたはトグルフリップフロップで構成して
なる請求項１記載の乱数発生装置である。請求項５の発
明は、前記２値パルス列符号平滑化手段を前記クロック
の周波数を１／２に分周する１／２分周器とマルチプレ
クサまたはＸＯＲゲートで構成してなる請求項１記載の
乱数発生装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１に、本発明を実施した
乱数発生装置のブロック図を示す。また、各ブロックの
信号波形とそのタイミングチャートを図２に示す。乱数
発生装置は、雑音源１が発生する周期性のないランダム
雑音ｎを波形整形回路２に入力してランダムパルス波ｐ
１を生成する。
施の形態について説明する。図１に、本発明を実施した
乱数発生装置のブロック図を示す。また、各ブロックの
信号波形とそのタイミングチャートを図２に示す。乱数
発生装置は、雑音源１が発生する周期性のないランダム
雑音ｎを波形整形回路２に入力してランダムパルス波ｐ
１を生成する。
【０００８】次に、ランダムパルス波ｐ１と発振器３の
クロックｃ１をサンプル＆ホールド回路４に入力して一
定周期の２値パルス列ｐ２を生成する。そして、２値パ
ルス列ｐ２とクロックｃ１を分周器５で１／２に分周し
た１／２分周クロックｃ２をスイッチング回路６に入力
して２値パルス列ｐ２の極性を１周期おきに反転させ、
１／０符号の出現バランスを平滑化した平滑２値パルス
列ｐ３を出力する。
クロックｃ１をサンプル＆ホールド回路４に入力して一
定周期の２値パルス列ｐ２を生成する。そして、２値パ
ルス列ｐ２とクロックｃ１を分周器５で１／２に分周し
た１／２分周クロックｃ２をスイッチング回路６に入力
して２値パルス列ｐ２の極性を１周期おきに反転させ、
１／０符号の出現バランスを平滑化した平滑２値パルス
列ｐ３を出力する。
【０００９】雑音源１は、熱雑音、ショット雑音、電子
なだれなどによる白色雑音を物理的な雑音の発生源とす
る。
なだれなどによる白色雑音を物理的な雑音の発生源とす
る。
【００１０】波形整形回路２は、ランダム雑音ｎを対数
増幅回路で所定の電圧レベルに増幅し、これをコンパレ
ータに入力してトリガレベル以上の雑音波形をトリガパ
ルスとして取り出す。そして、これを単安定マルチバイ
ブレータに入力して外付けのＣＲによって決まる所定の
パルス幅を有するランダムパルス波ｐ１を生成する。こ
のときのパルス幅は、サンプリング定理によりクロック
ｃ１のパルス幅の２倍以上に設定する。また、このとき
のトリガパルスはランダムパルス波ｐ１の立ち上がり、
もしくは立ち下がりのエッジ部分となり、トリガパルス
の幅が長くなったり短くなったりしても一定のパルス幅
を得ることができる。
増幅回路で所定の電圧レベルに増幅し、これをコンパレ
ータに入力してトリガレベル以上の雑音波形をトリガパ
ルスとして取り出す。そして、これを単安定マルチバイ
ブレータに入力して外付けのＣＲによって決まる所定の
パルス幅を有するランダムパルス波ｐ１を生成する。こ
のときのパルス幅は、サンプリング定理によりクロック
ｃ１のパルス幅の２倍以上に設定する。また、このとき
のトリガパルスはランダムパルス波ｐ１の立ち上がり、
もしくは立ち下がりのエッジ部分となり、トリガパルス
の幅が長くなったり短くなったりしても一定のパルス幅
を得ることができる。
【００１１】ランダム雑音ｎの発生間隔にばらつきがあ
る場合は、トリガパルスをＴ入力のたびにＱ出力が反転
するＴ−ＦＦ２進カウンタに入力してトリガパルスの発
生間隔をパルスのオン・オフ時間とするランダムパルス
波ｐ１を生成してもよい。これにより、ランダムパルス
波ｐ１のオン・オフ時間の割合を均等にすることができ
る。
る場合は、トリガパルスをＴ入力のたびにＱ出力が反転
するＴ−ＦＦ２進カウンタに入力してトリガパルスの発
生間隔をパルスのオン・オフ時間とするランダムパルス
波ｐ１を生成してもよい。これにより、ランダムパルス
波ｐ１のオン・オフ時間の割合を均等にすることができ
る。
【００１２】乱数の発生を高速化する場合は、複数の同
一あるいは多種類の雑音源１の出力を合成し、波形整形
回路２を介してサンプル＆ホールド回路４に入力する。
これにより、ランダム雑音ｎの発生頻度を増大させてラ
ンダムパルス波ｐ１のオン・オフの切換えを頻繁にす
る。この場合、ランダム雑音ｎの発生頻度に応じてクロ
ックｃ１の周期を短くし、クロックｃ１の周期に応じて
ランダムパルス波ｐ１のパルス幅を適正な長さに調節す
る必要がある。
一あるいは多種類の雑音源１の出力を合成し、波形整形
回路２を介してサンプル＆ホールド回路４に入力する。
これにより、ランダム雑音ｎの発生頻度を増大させてラ
ンダムパルス波ｐ１のオン・オフの切換えを頻繁にす
る。この場合、ランダム雑音ｎの発生頻度に応じてクロ
ックｃ１の周期を短くし、クロックｃ１の周期に応じて
ランダムパルス波ｐ１のパルス幅を適正な長さに調節す
る必要がある。
【００１３】サンプル＆ホールド回路４は、図３に示す
ように、ＦＦを２個使用してＣ入力は入力側のＦＦに直
接、出力側のＦＦにはインバータを介して反転したクロ
ックｃ１を供給する。これにより、Ｃ入力のアップエッ
ジで入力側のＦＦに記憶されたＤ入力のランダムパルス
波ｐ１のオン・オフは、出力側のＦＦのＣ入力が“０”
なのでそのまま出力側のＦＦのＱ出力に転送され、Ｃ入
力のダウンエッジでは出力側のＦＦのＣ入力がアップエ
ッジになるのでＱ出力を保持し、次のＣ入力のアップエ
ッジまでその状態を変えずにいる。このため、Ｃ入力の
アップエッジでランダムパルス波ｐ１のオン・オフ状態
を記憶した２値パルス列ｐ２がクロックｃ１の１／２の
周期でクロックｃ１に同期して出力される。
ように、ＦＦを２個使用してＣ入力は入力側のＦＦに直
接、出力側のＦＦにはインバータを介して反転したクロ
ックｃ１を供給する。これにより、Ｃ入力のアップエッ
ジで入力側のＦＦに記憶されたＤ入力のランダムパルス
波ｐ１のオン・オフは、出力側のＦＦのＣ入力が“０”
なのでそのまま出力側のＦＦのＱ出力に転送され、Ｃ入
力のダウンエッジでは出力側のＦＦのＣ入力がアップエ
ッジになるのでＱ出力を保持し、次のＣ入力のアップエ
ッジまでその状態を変えずにいる。このため、Ｃ入力の
アップエッジでランダムパルス波ｐ１のオン・オフ状態
を記憶した２値パルス列ｐ２がクロックｃ１の１／２の
周期でクロックｃ１に同期して出力される。
【００１４】分周器５は、Ｔ−ＦＦのＴ入力にクロック
ｃ１を２発入力するたびにＱ出力を元の状態に戻してク
ロックｃ１を１／２に分周する。あるいは、図４に示す
ように、Ｄ−ＦＦの反転Ｑ出力をＤ入力に接続してＤ−
ＦＦをＴ−ＦＦとして動作させてもよい。このとき、反
転Ｑ出力が次のＤ入力となるので、Ｃ入力のあるたびに
Ｑ出力が反転する。
ｃ１を２発入力するたびにＱ出力を元の状態に戻してク
ロックｃ１を１／２に分周する。あるいは、図４に示す
ように、Ｄ−ＦＦの反転Ｑ出力をＤ入力に接続してＤ−
ＦＦをＴ−ＦＦとして動作させてもよい。このとき、反
転Ｑ出力が次のＤ入力となるので、Ｃ入力のあるたびに
Ｑ出力が反転する。
【００１５】スイッチング回路６は、図５に示すよう
に、２個のＡＮＤゲートとＯＲゲートおよびインバータ
を組み合わせたマルチプレクサで構成し、１／２分周ク
ロックｃ２を制御入力として制御入力の“１”または
“０”により２値パルス列ｐ２の正相出力と逆相出力の
いずれか一方を選択して平滑２値パルス列ｐ３を出力す
る。あるいは、図６に示すように、２値パルス列ｐ２と
１／２分周クロックｃ２をＸＯＲゲートに入力して両者
を排他的論理和で加算し、１／２分周クロックｃ２の１
／０に同期して２値パルス列ｐ２の符号を１周期毎に正
逆転させて平滑２値パルス列ｐ３を出力してもよい。な
お、実施例では１／２分周により正相出力と逆相出力を
切換える方法をとっているが、分周度合いを高めて所定
の単位符号長における１／０符号の出現バランスを平滑
化する方法も実施可能である。
に、２個のＡＮＤゲートとＯＲゲートおよびインバータ
を組み合わせたマルチプレクサで構成し、１／２分周ク
ロックｃ２を制御入力として制御入力の“１”または
“０”により２値パルス列ｐ２の正相出力と逆相出力の
いずれか一方を選択して平滑２値パルス列ｐ３を出力す
る。あるいは、図６に示すように、２値パルス列ｐ２と
１／２分周クロックｃ２をＸＯＲゲートに入力して両者
を排他的論理和で加算し、１／２分周クロックｃ２の１
／０に同期して２値パルス列ｐ２の符号を１周期毎に正
逆転させて平滑２値パルス列ｐ３を出力してもよい。な
お、実施例では１／２分周により正相出力と逆相出力を
切換える方法をとっているが、分周度合いを高めて所定
の単位符号長における１／０符号の出現バランスを平滑
化する方法も実施可能である。
【００１６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の乱数発生
装置は、ランダム雑音を波形整形してランダムパルス波
を生成し、これをクロックでサンプリングして一定周期
の２値パルス列に変換し、その極性を一定周期おきに反
転させて２値パルス列符号の乱数列を発生する。従っ
て、本発明によれば、通常、２値パルス列の１／０の出
現バランスは、雑音の発生頻度に左右されるのでインバ
ランスとなるが、このように２値パルス列の極性を一定
周期おきに反転させると、符号配列のインバランス性が
平滑化されて確実に１／０の出現確率がおのおの１／２
に近い２値パルス列が得られる。
装置は、ランダム雑音を波形整形してランダムパルス波
を生成し、これをクロックでサンプリングして一定周期
の２値パルス列に変換し、その極性を一定周期おきに反
転させて２値パルス列符号の乱数列を発生する。従っ
て、本発明によれば、通常、２値パルス列の１／０の出
現バランスは、雑音の発生頻度に左右されるのでインバ
ランスとなるが、このように２値パルス列の極性を一定
周期おきに反転させると、符号配列のインバランス性が
平滑化されて確実に１／０の出現確率がおのおの１／２
に近い２値パルス列が得られる。
【００１７】例えば、２値パルス列を“０１１０００１
１００１１１００００１００”とすると、１／０の出現
確率はおのおの８／２０と１２／２０となり“０”に偏
っているが、その極性を１周期おきに反転させると“０
０１１０１１００１１０１１０１０００１”となり、１
／０の出現確率はおのおの１０／２０と１０／２０で、
１／２あるいはそれに近い値となる。
１００１１１００００１００”とすると、１／０の出現
確率はおのおの８／２０と１２／２０となり“０”に偏
っているが、その極性を１周期おきに反転させると“０
０１１０１１００１１０１１０１０００１”となり、１
／０の出現確率はおのおの１０／２０と１０／２０で、
１／２あるいはそれに近い値となる。
【００１８】また、本発明の乱数発生装置は、ランダム
雑音の発生間隔をパルスのオン・オフ時間としてランダ
ムパルス波を生成する。従って、本発明によれば、通
常、ランダムパルス波のオン・オフ時間の割合は、雑音
の発生頻度に左右されるのでいずれか一方に偏るが、こ
のようにランダム雑音の発生間隔をパルスのオン・オフ
時間とすると、その割合を均等にすることができる。
雑音の発生間隔をパルスのオン・オフ時間としてランダ
ムパルス波を生成する。従って、本発明によれば、通
常、ランダムパルス波のオン・オフ時間の割合は、雑音
の発生頻度に左右されるのでいずれか一方に偏るが、こ
のようにランダム雑音の発生間隔をパルスのオン・オフ
時間とすると、その割合を均等にすることができる。
【００１９】また、本発明の乱数発生装置は、ランダム
雑音発生手段を複数用いて合成したランダム雑音をラン
ダムパルス波生成手段に入力してランダムパルス波のオ
ン・オフの発生頻度を増大させる。従って、本発明によ
れば、ランダムパルス波をサンプリングして生成する２
値パルス列の周波数をランダムパルス波のオン・オフの
発生頻度に応じて高くできるので、乱数の発生をより高
速化できる。
雑音発生手段を複数用いて合成したランダム雑音をラン
ダムパルス波生成手段に入力してランダムパルス波のオ
ン・オフの発生頻度を増大させる。従って、本発明によ
れば、ランダムパルス波をサンプリングして生成する２
値パルス列の周波数をランダムパルス波のオン・オフの
発生頻度に応じて高くできるので、乱数の発生をより高
速化できる。
【００２０】また、本発明の乱数発生装置は、ランダム
パルス波生成手段を対数増幅器とコンパレータおよび単
安定マルチバイブレータまたはトグルフリップフロップ
で構成する。また、２値パルス列符号平滑化手段をクロ
ックの周波数を１／２に分周する１／２分周器とマルチ
プレクサまたはＸＯＲゲートで構成する。
パルス波生成手段を対数増幅器とコンパレータおよび単
安定マルチバイブレータまたはトグルフリップフロップ
で構成する。また、２値パルス列符号平滑化手段をクロ
ックの周波数を１／２に分周する１／２分周器とマルチ
プレクサまたはＸＯＲゲートで構成する。
【００２１】従って、本発明によれば、デジタル回路を
主体に装置を構成できるので、微弱信号を扱うアナログ
回路の部分が少なくなり、外乱などの影響を受け難くな
って装置の信頼性が向上する。また、回路が簡素化さ
れ、アナログ的な調整もほとんど不要になるので、製造
コストを低減すると共に、量産化も容易になる。
主体に装置を構成できるので、微弱信号を扱うアナログ
回路の部分が少なくなり、外乱などの影響を受け難くな
って装置の信頼性が向上する。また、回路が簡素化さ
れ、アナログ的な調整もほとんど不要になるので、製造
コストを低減すると共に、量産化も容易になる。
【図１】本発明を実施した乱数発生装置のブロック図で
ある。
ある。
【図２】図１の各ブロックの信号波形とそのタイミング
チャートである。
チャートである。
【図３】本発明を実施したサンプル＆ホールド回路の論
理図である。
理図である。
【図４】本発明を実施した分周器の論理図の変形例であ
る。
る。
【図５】本発明を実施したスイッチング回路の論理図で
ある。
ある。
【図６】本発明を実施したスイッチング回路の論理図の
変形例である。
変形例である。
１ 雑音源
２ 波形整形回路
３ 発振器
４ サンプル＆ホールド回路
５ 分周器
６ スイッチング回路
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開2000−298577（ＪＰ，Ａ)
特開2000−66592（ＪＰ，Ａ)
特開2000−276330（ＪＰ，Ａ)
特開2000−276329（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G06F 7/58
Claims (5)
- 【請求項１】物理的な雑音を測定してランダム雑音を発
生するランダム雑音発生手段と、 このランダム雑音を波形整形してランダムパルス波を生
成するランダムパルス波生成手段と、 このランダムパルス波を一定周期のクロックでサンプリ
ングして、サンプル値のオン・オフをパルス符号とする
一定周期の２値パルス列に変換する２値パルス列変換手
段と、 この２値パルス列の極性をクロックの分周周期毎に正逆
転させて、所定の単位符号長における１／０符号の出現
バランスを平滑化する２値パルス列符号平滑化手段と、 を備え、 前記２値パルス列符号の乱数列を発生してなる乱数発生
装置。 - 【請求項２】 前記ランダム雑音の発生間隔をパルスの
オン・オフ時間として前記ランダムパルス波を生成して
なる請求項１記載の乱数発生装置。 - 【請求項３】 前記ランダム雑音発生手段を複数用いて
合成したランダム雑音を前記ランダムパルス波生成手段
に入力して前記ランダムパルス波のオン・オフの発生頻
度を増大させてなる請求項１記載の乱数発生装置。 - 【請求項４】 前記ランダムパルス波生成手段を対数増
幅器とコンパレータおよび単安定マルチバイブレータま
たはトグルフリップフロップで構成してなる請求項１記
載の乱数発生装置。 - 【請求項５】 前記２値パルス列符号平滑化手段を前記
クロックの周波数を１／２に分周する１／２分周器とマ
ルチプレクサまたはＸＯＲゲートで構成してなる請求項
１記載の乱数発生装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001163428A JP3502065B2 (ja) | 2001-04-24 | 2001-04-24 | 乱数発生装置 |
| PCT/JP2002/003075 WO2002091167A1 (fr) | 2001-04-24 | 2002-03-28 | Generateur de nombres aleatoires |
| US10/692,483 US7349935B2 (en) | 2001-04-24 | 2003-10-23 | Random number generation apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001163428A JP3502065B2 (ja) | 2001-04-24 | 2001-04-24 | 乱数発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002323971A JP2002323971A (ja) | 2002-11-08 |
| JP3502065B2 true JP3502065B2 (ja) | 2004-03-02 |
Family
ID=19006402
Family Applications (1)
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