混沌振荡器及其作为随机比特发生器的应用

摘要

本发明公开了一种混沌振荡器，所述混沌振荡器包括一个负跨导正弦振荡器电路以及一个差动放大电路单元；通过将正弦振荡器电路的输出信号经差动放大电路单元放大后作为输出，得到连续的混沌振荡信号；同时，本发明还公开了该混沌振荡器作为随机比特发生器的应用。本发明提出的正弦振荡器适合在单片的集成电路芯片上实现，其结构紧凑、造价低廉，并且具有很高的输出频率；同时其平衡性能好，具有高源抑制和噪声免疫功能，根据该正弦振荡器设计的随机比特发生器继承了以上优点，作为一种真随机比特发生器的设计方案来说，具有较高的实用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及信息技术及通信安全领域，特别涉及一种混沌振荡器，以及将该混沌振荡器作为一种随机比特发生器的应用。

背景技术

随着高级信息和通信安全的显著发展，信息的保护变得十分重要。随机比特发生器广泛地用于计算机仿真、数值分析、算法评估、统计抽样、图像鉴别、加密、数字水印等许多领域。

目前，产生随机数的方法主要包括两种：算术法和物理法。算术随机数是通过反复计算的方式获得，这就有可能存在周期性，这个因素阻碍了它们在密码系统中的应用。另一方面，物理随机数通过随机的物理现象产生，由于没有周期性存在，可以实现高安全性。

随着电子技术的迅猛发展，通过集成电路产生随机数越来越受到人们的重视。目前，有的研究人员利用离散混沌映射设计并实现了数字式随机比特发生器，制作成集成电路芯片。另一方面，为了提高产生随机比特流的速度，也有的研究人员利用模拟集成电路来实现连续时间的混沌振荡器以产生随机比特。但是，目前提出的电路总体来说比较复杂，成本较高，并且产生的混沌信号的混沌程度不够，易于破解，因此有必要沿着这个研究方向，提出一种易于实现、成本低的、新型的模拟混沌振荡器，并且以及利用该混沌振荡器来实现随机比特发生器的研制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种模拟的混沌振荡器，其结构简洁、易于制造，成本较低；本发明的目的之二是保护前述的混沌振荡器作为随机比特发生器的应用。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：

该混沌振荡器包括一个负跨导正弦振荡器电路以及一个差动放大电路单元；通过将负跨导正弦振荡器电路的输出信号经差动放大电路单元放大后作为输出，得到连续的混沌振荡信号。

进一步，所述负跨导正弦振荡器电路包括两个NPN型的双极性晶体管I和晶体管II，所述晶体管II的基极与晶体管I的集电极相联接，所述晶体管II的集电极与晶体管I的基极相联接，所述晶体管II的发射极与晶体管I的发射极联接后接地；所述晶体管II的集电极与发射极之间并联有第二电容，所述晶体管I的集电极与发射极之间并联有第一电容；所述晶体管I的集电极通过第一电感联接至恒流源II，所述晶体管II的集电极通过第二电感联接至恒流源I，所述恒流源I与恒流源II之间设置有隔离电阻；

所述差动放大电路单元包括两个NPN型的双极性晶体管III和晶体管IV，所述晶体管III的基极联接至第一电容与晶体管I集电极的公共点，所述晶体管IV的基极联接至第二电容与晶体管II集电极的公共点；所述晶体管III和晶体管IV的发射极相互联接，并通过恒流源联接至公共接地点；所述晶体管III的集电极联接至第二电感与恒流源I的公共接点，所述晶体管IV的集电极联接至第一电感与恒流源II的公共接点。

本发明的目的之二是通过将前述的混沌振荡器作为随机比特发生器的应用来实现的。

本发明的有益效果是：

本发明提出的正弦振荡器适合在单片的集成电路芯片上实现，其结构紧凑、造价低廉，并且具有很高的输出频率；同时其平衡性能好，具有高源抑制和噪声免疫功能，根据该正弦振荡器设计的随机信号发生器继承了以上优点，作为一种随机比特发生器方案来说，具有较高的实用价值。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的混沌振荡器电路联接图；

图2为混沌振荡器电路中电压V_C1-V_C2的相图；

图3为混沌振荡器电路中电压V_C1的功率谱图；

图4为系统(2)中状态变量x、y和z的时间响应图；

图5为系统(2)中状态变量x、y和z之间的相图；

图6为系统(2)中变量通过变换后的相图；

图7为系统(2)的Lyapunov指数图；

图8为随机比特流的产生原理图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的混沌振荡器，包括一个负跨导正弦振荡器电路以及一个差动放大电路单元；通过将正弦振荡器电路的输出信号经差动放大电路单元放大后作为输出，得到连续的混沌振荡信号。

本实施例中，所述负跨导正弦振荡器电路包括两个NPN型的双极性晶体管I T1和晶体管II T2，晶体管II T2的基极与晶体管I T1的集电极相联接，晶体管II T2的集电极与晶体管I T1的基极相联接，晶体管II T2的发射极与晶体管I T1的发射极联接后接地；所述晶体管II T2的集电极与发射极之间并联有第二电容C2，晶体管I T1的集电极与发射极之间并联有第一电容C1；所述晶体管I T1的集电极通过第一电感L1联接至恒流源II Im2，晶体管II D2的集电极通过第二电感L2联接至恒流源I Im1，恒流源I Im1与恒流源II Im2之间设置有隔离电阻R；

本实施例中，差动放大电路单元包括两个NPN型的双极性晶体管III T3和晶体管IV T4，所述晶体管III T3的基极联接至第一电容C1与晶体管I T1集电极的公共点，所述晶体管IV T4的基极联接至第二电容C2与晶体管II T2集电极的公共点；所述晶体管III T3和晶体管IV T4的发射极相互联接，并通过恒流源IO联接至公共接地点；所述晶体管III T3的集电极联接至第二电感L2与恒流源I Im1的公共接点，所述晶体管IV T4的集电极联接至第一电感L1与恒流源II Im2的公共接点。

由于双极性晶体管要求的电感值较小，因此更适合在单片集成电路中实现。另外，值得注意的是，该混沌振荡器是平衡的，具有高源抑制和噪声免疫功能。

通过对图1所示电路进行节点电压分析，可以得到以下电路方程：

其中，V_T和I_S分别表示双极性晶体管的开启电压和饱和电流。I₀为恒流源I0、的偏置电流，I_m为恒流源Im1和Im2的偏置电流，V_C1和V_C2分别表示电容C₁和C₂两端的电压。在实验中，选择所有晶体管型号为2N1711，电容C₁＝C₂＝10nF，电感L₁＝L₂＝10mH，恒流源I_O＝280uA，I_m1＝I_m2＝170uA，电阻R＝1kΩ，可以观察到V_C1-V_C2相图和V_C1的功率谱图，如图2和图3所示。从图3可以看出，功率谱为连续谱，出现噪声背景和宽峰，具有明显的混沌运动特征。

为了进一步对该电路进行数值分析，对公式(1)进行规范化，令t_n＝t/RC，选择R的值等于V_s为任意的比例电压，式(1)变换为如下形式：

其中，$a=\frac{V_S}{V_T},$$b=\frac{I_{S}R}{2V_S},$$c=\frac{I_{o}R}{{2V}_S},$$d=\frac{(2I_m-I_o)R}{{2V}_S}.$当a＝1，b＝0.5×10^-6，c＝3，

d＝1时，公式(2)中表示的系统(2)展示出明显的混沌行为，状态变量的时间响应和相图如图4和图5所示。

值得注意的是，在对式(1)进行规范化时，令故要得到与电路实验相类似的相图，必须对数值仿真的输出进行适当的处理，从而可以得到如图6所示相图。比较图6和图2容易发现，数值仿真与电路实验结果十分近似。系统(2)的Lyapunov指数图如图7所示，系统具有一个正的Lyapunov指数，说明该系统是一个混沌系统。

本发明的另一个目的是利用该混沌振荡器作为一个随机比特发生器，采用Yalcin等提出的方法产生比特流。首先，将混沌吸引子的状态空间分为三个子空间S₀，S₁和S₂，如图8所示。当系统轨迹从S₀到S₁产生0比特，从S₁到S₂则产生1比特。然而，这样得到的比特流在统计试验中是有偏倚的。为了消除未知的偏倚，可以采用众所周知的Von Neumann’s分离两个相关信号间的相位差技术(de-skewing technique)。在这个技术中，包括将01比特对转换为0比特，将10比特对转换为1比特，并且去掉00比特对和11比特对。在实验中，取C0＝-5.0，C1＝0，则可以得到长度为8626位的比特序列，对该比特序列进行了统计测试，测试结果见表1。

表1 系统统计测试结果

该系统通过了NIST(National Institute of Standards and Technology)SpecialPublication 800-22的9种测试，具有较好的随机性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。