基于变结构混沌的伪随机序列发生器

为产生随机性能良好的伪随机序列,提出了一个新的变结构混沌系统。该混沌系统在一个开关函数控制下其系统结构随时间随机地转换,所产生的混沌信号是两个不同的混沌信号的混合,具有良好的复杂性。基于该变结构混沌系统设计了一种伪随机序列发生器,采用NIST标准和STS-2．0b测试套件对其产生的伪随机序列进行了统计性能测试,测试结果表明该伪随机序列发生器具有良好的随机性,可应用于计算机、通信、信息加密等领域中。     

一种基于熵源分离模型的可重构安全原语

在信息爆炸时代,信息的安全问题受到了广泛关注。在物联网设备的加密协议中,物理不可克隆函数(PUF)与真随机数发生器成为加密协议中基本的安全原语,提供了轻量级的解决方案。文章提出了一种熵源分离模型,能够分离环形振荡器中抖动(真随机数发生器的熵)和工艺偏差(PUF熵)引起的延时。基于该模型,在FPGA上设计了一种可重构的双工作模式电路,通过改变模式可分别生成PUF和真随机数。相较于FPGA上独立设计的PUF和真随机数发生器,该结构具有资源开销小、面积利用率高、功耗低等优势。实验结果表明,生成的PUF稳定性高、唯一性强、均匀性好;真随机数序列均通过了NIST测试,具有高随机性和不可预测性。     

基于多项式拟合频率重构的物理不可克隆函数优化

近年来硬件安全不断受到挑战,具有不可预测性、随机性等特性的环形振荡器物理不可克隆函数(Ring Oscillator Physical Unclonable Function,RO PUF)可作为硬件安全重要的加密密钥方式,但通常原始RO PUF不满足加密密钥对随机性的要求。因此,提出了基于多项式拟合频率重构的PUF优化方法。首先,实现RO电路的硬宏设计并在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)上进行实例化,从而获得RO阵列的频率数据;其次,针对原始响应的随机性较差的情况,通过统计分析其分布特征,利用多项式拟合法优化重构RO阵列频率;最后,采用熵密度值评估RO PUF响应的随机性。选用型号为Xilinx Artix 7103的FPGA板进行实验测试评估,结果表明所提方法不仅比原始RO PUF响应的随机性强,而且与随机补丁混合法(Random Patch Mixer,RPM)和基于回归的熵蒸馏法相比也具备更好的随机性。     

基于压控振荡器的真随机数发生器设计

通过对频率抖动机理的研究,提出一种基于压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator,VCO）的真随机数发生器（True Random Number Generator,TRNG）设计方案.该方案将电阻热噪声放大后作为VCO的控制信号使其振荡频率在中心频率附近随机抖动.VCO所产生的慢振荡信号对周期固定的快振荡信号采样生成原始随机序列,然后利用后处理电路提高序列均匀性并消除自相关性.通过热噪声发生器调节VCO的中心频率可实现序列比特率和随机性之间的权衡.所提电路采用SMIC 55nm CMOS工艺设计,芯片面积0.0124mm²,比特率10Mbps,平均功率0.81mW.输出的随机序列通过NIST SP 800-22测试.     

基于FPGA的Lorenz混沌序列的设计及统计测试

硬件加密及混沌算法的应用在信息安全领域中有重要的意义.这里以一种实际应用中常用的Lorenz混沌系统为例,介绍了利用FPGA技术实现该混沌序列的一种物理生成方法,并介绍了衡量此随机比特生成器质量的统计测试方法,这不同于以往的普通序列测试.通过统计测试实验表明,此随机比特生成器所生成的四个序列中x序列的统计特性没有其它三个序列好,在实际运用中应加以注意.可见统计测试在随机比特生成器的质量验证中有着很为必要的作用.     

Emitter-coupled pair chaotic generator circuit

An emitter-coupled pair chaotic generator is proposed with a control parameter that can be tuned for distinct chaotic behaviors. The proposed circuit is a compact, high-speed implementation of the chaotic map based on the hyperbolic tangent function. It is demonstrated that the circuit and map parameters are analytically related. As an application, we design a random number generator that passes all NIST statistical tests by applying a post-processing to the balanced bit sequence generated by a quantization of the circuit output.     

FPGA and USB based control board for quantum random number generator

The design and implementation of FPGA-and-USB-based control board for quantum experiments are discussed. The usage of quantum true random number generator, controllogic in FPGA and communication with computer through USB protocol are proposed in this paper. Programmable controlled signal input and output ports are implemented. The error-detections of data frame header and flame length are designed. This board has been used in our decoy-state based quantum key distribution （QKD） system successfully.     

从混沌序列模型的生成到混沌序列的下载

以Lorenz混沌方程为例,提出了利用FPGA技术实现混沌序列模型的一种方法。对数字积分器、量化电路进行设计,采用DSP Builder工具形成Lorenz混沌输出序列,并在FPGA实验开发系统上进行了下载,最后使用Agilent公司的1693A逻辑分析仪对实验箱输出的序列进行了观察,详细地讲述了这一系列的过程。该设计方法根据系统需要和资源利用率可适当提高运算精度,并可应用于其他连续混沌系统中,有助于加快混沌系统在信息安全及保密通信领域中的应用。     

用于SRAM PUFs的伪随机数发生器的FPGA实现

信息安全问题日益突出,而随机数则是信息安全系统的基石.本文以哈希算法为核心设计了一种伪随机数发生器,其以静态随机存储器物理不可克隆函数（Static Random Access Memory Physical Unclonable Functions,SRAM PUFs）为熵源,能够产生大量的伪随机序列.通过对熵源有效性的在线监测以及对种子的动态重播操作,本文提出的用于SRAM PUFs的伪随机数发生器提高了伪随机序列的安全性,可应用于各种高安全等级加密系统中.该发生器在FPGA开发平台上得到实现,其发生速度达598.1Mbps.随机数检测套件NIST分析结果表明：该伪随机数发生器的输出通过了所有测试项目,具有良好的随机性.     

一种基于FPGA实现的真随机数发生器

本文分析和实现了一种基于FPGA的真随机数发生器,采用对延迟链各级输出同时采样的方法来增加输出序列的随机性。电路为纯数字形式,50MHz采样时钟采得的输出数据可以无需后处理,直接通过随机性测试,且未发现随机性与采样频率存在显著联系。     

一种基于噪声的真随机数发生器的ASIC设计与实现

提出了一种应用于密码系统的硬件随机数发生器的ASIC实现,即通过振荡采样把相位噪声转变为随机数.为了使输出平稳,在输出级设计了异或链和伪随机网络.理论研究和仿真测试证明,该方案能生成分布均匀、彼此独立的随机信号.经制版流片后,芯片在1 MHz时钟下输出满足随机性测试的串行随机数.     

基于SOPC的脉冲发生器

为了给分布式拉曼测温系统中的激光器提供激励源,设计一个稳定性好、纳秒级脉宽、周期可控、占空比可调的高速脉冲发生器。以Ahera公司的CycloneⅡ系列的EP2C5Q208C8为核心的核心板和一些外围器件组成硬件电路。高速脉冲发生器是在QuaflusⅡ软件平台下,使用VHDL在FPGA上用硬件逻辑电路设计。脉冲发生器控制系统是利用QuartusⅡ开发软件扣其中集成的SoPC Builder系统开发工具进行设计。实验结果表明,该脉冲发生器稳定输出脉宽为10～500ns．周期为1μs～1ms,占空比可调的窄脉冲,满足分布式拉曼测温系统的要求。     

基于FPGA的数字混沌序列的实现及性能分析

为了产生数字混沌PN序列,提出了一种基于FPGA平台的连续混沌数字化技术.针对一个混沌系统,利用理论和 数值仿真对系统的基本特性进行了分析,通过Lyapunov指数谱和分叉图对系统的状态转换进行了分析.在Matlab的Simulink 下,利用DSPBuilder设计了一个电路,并转换成VHDL代码程序,用Quartu...     

Physical random analysis of Boolean chaos

To analyze the physical randomness of Boolean chaos,the model for chaotic circuit system based on autonomous Boolean network was established.In addition,the equations of the Boolean network with phase noise were deduced.By considering the phase noise,the time for the growth of entropy for an ensemble of trajectories,called the memory time,was analyzed.It was demonstrated that Boolean chaos would be unpredictable after tens of nanoseconds,and less average memory time was required as the phase noise strength increased.It is shown that Boolean chaos has physical randomness because of phase noise and it also lays the theoretical foundation for the entropy source of true random number generator based on chaotic Boolean network.     

一种基于Logistic电平脉冲的多涡卷系统及其图像加密应用

现有多涡卷吸引子混沌系统中引入的非线性函数多为阶梯函数、饱和函数、多逻辑电平脉冲函数等,从而系统的电路实现复杂度会随涡卷数量的增加而增大,致使其硬件实现变得较为困难。针对此问题,该文设计了Logistic电平脉冲函数,采用非自治的脉冲控制方法基于Lorenz系统构造了一个新的多涡卷混沌系统,对其进行了动力学特性分析和基于FPGA芯片的硬件实现,最后给出了系统在图像加密中的应用。分析结果表明,该文所设计系统的电路实现复杂度与涡卷数量无关,于是FPGA电路可在不改变RTL代码的情况下仅通过改变控制参数即可产生不同的多涡卷吸引子;与Lorenz系统相比,此多涡卷系统具有更多的敏感性参数,应用于图像加密时密钥空间更大,更能有效抵抗穷举攻击。     

基于FPGA的数字信号传输性能分析仪

文中分析的FPGA系统以数字电路为核心,由数字信号发生器、低通滤波器、加法器、伪随机信号发生器、数字信号分析电路组成。并通过对系统方案的对比,以及电路、软件的分析与设计,针对数据率误差、伪随机码误差、眼图和眼幅度均进行了实测,检测结果显示误差值均在允许范围内。     

基于蔡氏电路的数字混沌序列的性能研究

首先指出了传统的混沌伪随机序列的缺陷,并从理论上进行了分析,进而提出一种采用A/D转换方式对模拟的蔡氏混沌电路进行数字化,相应处理后,生成真正意义上的数字混沌序列的方法。通过对所得到的序列进行理论与随机性能分析可知：提出的混沌序列产生方法简单,序列的随机性能良好,适合应用于数据加密领域,是一类具有很好应用前景的混沌序列产生方法。     

一种基于单电子隧穿结和MOS晶体管的混合随机数发生器

提出了一种新颖的单电子随机数发生器(RNG).该随机数发生器由多个单电子隧穿结(MTJ)以及单电子晶体管(SET)/MOS管混合输出电路组成.MTJ被用于实现一个高频率的振荡器.它利用了电子隧穿的物理随机性得到了很大的振荡频率漂移.SET/MOS管输出电路放大并输出MTJ振荡器的输出信号.该信号经过一个低频信号采样后,产生随机数序列.所提出的随机数发生器使用简单的电路结构产生了高质量的随机数序列.它具有简单的结构,输出随机数的速度可以高达1GHz.同时,该电路还具有带负载能力以及很低的功耗.这种新颖的随机数发生器对未来的密码和通讯系统具有一定的应用前景.     

面向混沌激光熵源的安全随机数提取

基于混沌激光的随机数发生器可以实现大量高速的真随机数产生。然而,受随机数产生过程中引入的额外技术噪声影响,原始随机数无法提供真随机性。为了从信息论的角度实现安全随机数的产生,必须定量评估熵源产生的随机性。本文中通过实验搭建基于混沌激光的随机数产生装置,使用条件最小熵评估原始随机数中可提取的真随机性。同时,通过更换不同的器件讨论关键参数对原始随机性的影响。在原始随机数的后处理提取过程中使用信息论可证安全的Toeplitz提取器,最终实现了安全随机数的产生。     

一种基于单电子隧穿结和MOS晶体管的混合随机数发生器

提出了一种新颖的单电子随机数发生器(RNG).该随机数发生器由多个单电子隧穿结(MTJ)以及单电子晶体管(SET)/MOS管混合输出电路组成.MTJ被用于实现一个高频率的振荡器.它利用了电子隧穿的物理随机性得到了很大的振荡频率漂移.SET/MOS管输出电路放大并输出MTJ振荡器的输出信号.该信号经过一个低频信号采样后,产生随机数序列.所提出的随机数发生器使用简单的电路结构产生了高质量的随机数序列.它具有简单的结构,输出随机数的速度可以高达1GHz.同时,该电路还具有带负载能力以及很低的功耗.这种新颖的随机数发生器对未来的密码和通讯系统具有一定的应用前景.