Генератор импульсов случайной длительности

Изобретение относится к вычислительной технике, информационно-измерительной радиотехнике и может быть использовано в качестве источника подкачки энтропии в систему генерирования случайных чисел для различных устройств информационной безопасности. Техническим результатом является обеспечение возможности использования только стандартных цифровых логических элементов при отсутствии чувствительности к внешним воздействиям в процессе работы. Устройство содержит блок логического управления счетчиками, опорный генератор, четыре генератора тактовых импульсов, два двоичных счетчика, четыре реверсивных двоичных счетчиков. 1 ил.

 

Устройство относится к вычислительной технике, информационно-измерительной радиотехнике и может быть использовано в качестве источника подкачки энтропии в систему генерирования случайных чисел для различных устройств информационной безопасности.

Известен генератор хаотических колебаний, содержащий индуктивный элемент, первый вывод которого соединен с первыми выводами резистора и первого конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго конденсатора. В него дополнительно введен нелинейный преобразователь импеданса, первый и второй входные выводы которого соединены со вторыми выводами соответственно индуктивного элемента и резистора, первый и второй выходные выводы нелинейного преобразователя импеданса соединены соответственно с первым и вторым выводами второго конденсатора (см. патент РФ №2273088, МПК Н03В 29/00).

Недостатком данного устройства является то, что режим его работы чувствителен к внешним воздействиям периодическими сигналами, что делает его уязвимым в составе системы генерации случайных чисел. Кроме этого, данный генератор содержит индуктивный элемент, который нельзя реализовать в виде элемента интегральной микросхемы.

Известен генератор хаотических колебаний, содержащий первый резистор, первый и второй выводы которого соединены с первыми выводами соответственно первого и второго конденсаторов, второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом второго резистора. При этом в него дополнительно введены устройство с отрицательной проводимостью и параллельная RC-цепь с отрицательным импедансом, первый и второй выводы которой соединены соответственно с первым выводом второго резистора и вторым выводом первого резистора, первый вывод которого соединен с первым выводом устройства с отрицательной проводимостью, второй вывод которого соединен со вторыми выводами второго резистора и второго конденсатора (см. патент РФ №2246790, МПК Н03В 29/00).

Недостатком данного устройства чувствительность режима работы генератора к внешним воздействиям периодическими сигналами, что делает его уязвимым в составе системы генерации случайных чисел. Кроме этого, данный генератор содержит нестандартные элементы, что затрудняет его реализацию в виде элемента интегральной микросхемы.

Известен генератор импульсов случайной длительности, который содержит опорный генератор, линию задержки, мультиплексор, генератор псевдослучайных чисел (ГПСЧ), блок суммирования и триггер. Опорный генератор нагружен на секционированную линию задержки, группа смежных отводов которой подключена к соответствующим информационным входам мультиплексора, группа смежных выходов ГПСЧ соединена с входами блока суммирования, выходами подключенного к соответствующим адресным входам мультиплексора, введен триггер. При этом один вход триггера соединен с выходом опорного генератора, другой вход триггера - с выходом мультиплексора, а выход триггера подключен к входу ГПСЧ и выходному зажиму устройства. Принцип действия устройства основан на установке триггера импульсом опорного генератора в фиксированные моменты времени и сбросе триггера импульсом с выхода мультиплексора. Поскольку адрес мультиплексора формируется как сумма смежных разрядов регистра в ГПСЧ и суть случайная величина, то и фаза импульса на выходе мультиплексора является случайной величиной. Поэтому момент сброса триггера и, следовательно, длительность импульса на его выходе также является случайной величиной. Среднее значение длительности генерируемых импульсов и ее среднеквадратическое отклонение задает линия задержки, а закон распределения и энергетический спектр - ГПСЧ (см. патент РФ №2261525, МПК Н03В 29/00, Н03К 5/156).

Недостатком данного генератора является то, что длительности генерируемых импульсов определяются генератором псевдослучайных чисел, поэтому эти длительности также подчинены псевдослучайному закону и могут быть предсказаны.

Задачей настоящего решения является создание цифрового генератора импульсов случайной длительности для осуществления подкачки энтропии в систему генерирования случайных чисел для различных устройств информационной безопасности.

Техническим результатом является обеспечение возможности использования только стандартных цифровых логических элементов при отсутствии чувствительности к внешним воздействиям в процессе работы.

Поставленная задача решается тем, что генератор импульсов случайной длительности содержит блок логического управления счетчиками, который электрически соединен шиной управления с первым, вторым, третьим и четвертым реверсивными двоичными счетчиками и шиной управления с первым и вторым двоичными счетчиками, причем первый и второй двоичные счетчики соединены тактовым входом с опорным генератором, при этом первый двоичный счетчик выходом шины данных соединен с первым и третьим реверсивными двоичными счетчиками, а второй двоичный счетчик выходом шины данных соединен со вторым и четвертым реверсивными счетчиками, причем первый, второй, третий и четвертый реверсивные двоичные счетчики тактовыми входами соединены с выходами первого, второго, третьего и четвертого генераторов тактовых импульсов соответственно.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена блок-схема устройства, где

1 - блок логического управления счетчиками;

2 - первый реверсивный двоичный счетчик;

3 - второй реверсивный двоичный счетчик;

4 - третий реверсивный двоичный счетчик;

5 - четвертый реверсивный двоичный счетчик;

6 - первый двоичный счетчик;

7 - второй двоичный счетчик;

8 - опорный генератор;

9 - первый генератор тактовых импульсов;

10 - второй генератор тактовых импульсов;

11 - третий генератор тактовых импульсов;

12 - четвертый генератор тактовых импульсов.

Генератор импульсов случайной длительности содержит блок логического управления счетчиками 1, электрически срединного шиной управления с первым 2, вторым 3, третьим 4 и четвертым 5 реверсивными двоичными счетчиками и шиной управления с первым 6 и вторым 7 двоичными счетчиками. Первый 6 и второй 7 двоичные счетчики соединены тактовым входом с опорным генератором 8. При этом первый двоичный счетчик 6 выходом шины данных соединен с первым 2 и третьим 4 реверсивными двоичными счетчиками, а второй двоичный счетчик 7 выходом шины данных соединен со вторым 3 и четвертым 5 реверсивными счетчиками. Первый реверсивный двоичный счетчик 2 тактовым входом соединен с первым генератором тактовых импульсов 9. Второй реверсивный двоичный счетчик 3 тактовым входом соединен со вторым генератором тактовых импульсов 10. Третий реверсивный двоичный счетчик 4 тактовым входом соединен с третьим генератором тактовых импульсов 11. Четвертый реверсивный двоичный счетчик 5 тактовым входом соединен с четвертым генератором тактовых импульсов 12.

Данную схему можно реализовать только на цифровых элементах, используя в качестве генераторов тактовых импульсов быстродействующие автогенераторы, частота колебаний которых определяется инерционными свойствами используемых логических элементов (Ю.Ф.Опадчий, О.П.Глудкин, А.И.Гуров. Аналоговая и цифровая электроника. М.: «Горячая Линия - Телеком». 2000. С.681, 682).

В схеме реализуется последовательность циклов счета счетчиков 6, 7. Периоды циклов счетчиков , , , в моменты n и n+1 связаны соотношением

где N - число разрядов двоичных счетчиков, τ_g - период тактовых импульсов опорного генератора, a₁₁, a₁₂, a₂₁, a₂₂ - коэффициенты матрицы преобразования, которые выбираются так, чтобы одно собственное значение матрицы было положительным, а другое - отрицательным.

Период следования тактовых импульсов генератора 9 τ₁₁=a₁₁τ_g, период следования тактовых импульсов генератора 11 τ₁₂=a₁₂τ_g, период следования тактовых импульсов генератора 10 τ₂₁=a₂₁τ_g, период следования тактовых импульсов генератора 12 τ₂₂=a₂₂τ_g.

Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени блок логического управления счетчиками 1 запрещает режим счета для всех счетчиков и обнуляет счетчики 6, 7. В счетчики 2, 3, 4, 5 при включении заносятся любые ненулевые начальные значения. После этого блок логического управления счетчиками 1 разрешает прямой счет тактовых импульсов от генератора 8 и реверсивный счет тактовых импульсов от генераторов 9, 10.

После обнуления счетчика 2 блок логического управления счетчиками 1 разрешает реверсивный счет тактовых импульсов генератора 11 и запрещает реверсивный счет импульсов генератора 9. После обнуления счетчика 3 блок логического управления счетчиками 1 разрешает реверсивный счет тактовых импульсов генератора 12 и запрещав реверсивный счет импульсов генератора 10. После обнуления счетчика 4 блок логического управления счетчиками 1 запрещает реверсивный счет тактовых импульсов генератора 11 и счет тактовых импульсов генератора 8 счетчиком 6. После обнуления счетчика 5 блок логического управления счетчиками 1 запрещает реверсивный счет тактовых импульсов генератора 12 и счет тактовых импульсов генератора 8 счетчиком 7. Если обнулены счетчики 2, 3, 4, 5, блок логического управления счетчиками 1 формирует сигнал записи данных счетчика 6 в счетчики 2 и 4, а счетчика 7 в счетчики 3 и 5, после чего обнуляет счетчики 6 и 7. Инвертирует выходной сигнал и разрешает прямой счет тактовых импульсов от генератора 8 и реверсивный счет тактовых импульсов от генераторов 9, 10. Таким образом, цикл работы устройства повторяется.

Время, необходимое для совершения цикла, определяется из соотношения

Учитывая флуктуации периодов колебаний генераторов 8, 9, 10, 11, 12, а также то, что N - достаточно большое число, длительности циклов , являются случайными величинами.

Таким образом, предлагаемое решение обеспечивает формирование непредсказуемой последовательности импульсов случайной длительности.

Генератор импульсов случайной длительности, содержащий блок логического управления счетчиками, выполненный с возможностью инвертирования выходного сигнала, который электрически соединен шиной управления с первым, вторым, третьим и четвертым реверсивными двоичными счетчиками и шиной управления с первым и вторым двоичными счетчиками, причем первый и второй двоичные счетчики соединены тактовым входом с опорным генератором, при этом первый двоичный счетчик выходом шины данных соединен с первым и третьим реверсивными двоичными счетчиками, а второй двоичный счетчик выходом шины данных соединен со вторым и четвертым реверсивными счетчиками, причем первый, второй, третий и четвертый реверсивные двоичные счетчики тактовыми входами соединены с выходами первого, второго, третьего и четвертого генераторов тактовых импульсов соответственно.