基于电流模式多方向多涡卷混沌电路的真随机数发生器的研究与设计

In the security field, random numbers have important applications such as generating keys and the parameters of the encryption. Pseudo random numbers cannot meet the increasingly security requirements gradually since they are predictable, and how to generate true random numbers with good quality is one of the most important issues in security field. With the development of the theory of nonlinear systems, the behavior of chaos has provided new theory foundation and realization for Truly Random Number Generator (TRNG). This project mainly research and design a TRNG based on current-mode high dimensional radio frequency chaos. Project begins with the construction of a system formula model of N-dimensional multi-directional multi-scroll chaotic attractors, employs complementary metal-oxide-semiconductor transistor current controlled current conveyor basic circuit elements to achieve frequency tunable multi-directional multi-scroll chaotic attractors radio frequency circuit. From the synchronized perspective of the coupled radio frequency chaotic attractors oscillator circuits, this project adopt the current comparator and current-mode sample and hold circuit to design and achieve TRNG. Finally, we use a data post-processing technique based on the secure Hash algorithm to balance the distribution of the TRNG bits series and manage those bits series to pass the statistical tests. Research will realize high frequency oscillation and frequency tunable of the multi-directional multi-scroll chaotic attractors chip circuit in some degree, and also provide new ideas for further research of TRNG based on chaos.

在信息安全领域内，用于生成密钥对和加密算法参量的随机数起到了重要作用。由于伪随机数本身是可预测的，在安全方面已渐渐无法满足要求，如何产生高质量的真随机数已成为安全领域的重要研究议题之一。随着非线性理论的发展和完善，混沌行为给真随机数发生器的设计提供了新的理论依据和实现方法。项目主要研究一种基于电流模式高维射频混沌的真随机数发生器。从构建N维多方向多涡卷混沌吸引子系统公式模型入手，以电流控制电流传输器为基本电路单元来实现频率可调谐的多方向多涡卷混沌吸引子射频电路。从耦合的射频混沌吸引子振荡电路同步角度，采用电流比较器和电流模采样保持电路来设计与实现真随机数发生器。最后，基于安全哈希算法的数据后处理技术平衡真随机数发生器的比特系列分布，并通过相关的统计测试。本项目的研究将在一定程度上实现多方向多涡卷混沌吸引子芯片电路的高频振荡和频率可调谐，同时为基于混沌的真随机数发生器的进一步研究提供新思路。

高质量的随机数在信息安全和密码学等领域有着广泛的应用。由于伪随机数本身是可预测的，所以在信息加密应用中，必须采用完全不可预测的真随机数来保障信息的安全性。混沌系统对初始状态非常敏感，即使迭代的初始值相差很小，也能导致完全不同的演化过程。在保证电路混沌行为的前提下，环境温度和电源电压的微小变化以及系统内部噪声都能进一步增加随机序列的不确定性。本课题首先分别对基于电流模器件的复杂混沌吸引子、电流模比较器和基于混沌的真随机数发生器进行了综述，为今后国内外相关研究者指明研究方向和参考意义。设计了一款新型CMOS CCCII，该电路结构简单，性能优良，具有良好的电压、电流跟随特性和电调谐性能，为今后将该结构应用于混沌电路设计提供了基本模块。然后，提出了基于电流传输器的变形蔡氏混沌电路，该电路具备产生混沌现象的基础，同时可以看出基于电流传输的变形蔡氏混沌电路的信号跳变更快，证明其信号频率更高，电路能够更好的适宜高频率区域内工作。其次，提出了基于Wilson电流源的电流比较器，后仿真结果表明该比较器传播延迟为2.2ns，功耗为95uw，其传播延迟低于大多数提出的比较器，并且操作速度和功耗与先前的高速设计相当；提出了基于CMOS工艺的电流模采样保持电路，该电路当输入信号为幅度为10uA的正弦波曲线，输出达到12.4bit的采样精度，误差小于0.1%。该采样保持电路结构简单，性能优良，能适合应用于各种基于电流模的ADC电路。综合上述结果，本研究为探讨基于混沌的真随机数发生器的机制奠定了坚实的工作基础。同时对于采用电流模混沌实现的真随机数发生器提供了重要的理论基础，后续工作是采用电流模比较器、电流模采样保持电路和后处理技术实现真随机数，并计划进行流片。项目资助发表学术论文8篇，待发表3篇。培养硕士生5名，其中1名已经取得硕士学位，4名在读。项目投入经费22万元，支出11.8957万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费10.1043万元，剩余经费计划用于本项目研究后续支出。