随机数发生器的设计与研究

随着科学技术的日新月异,随机数发生器(Random Number Generator, RNG)在许多方面有着广泛的应用,如通信安全、娱乐、音乐、图像多媒体、模拟和测试等。本文结合中国科学院高能物理研究所的“硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope, HXMT)”有效载荷之一的低能X射线望远镜(Low Energy Telescope, LE),对随机数发生器进行了系统深入的研究。为此,本文开展以下几个方面的工作: (1)系统论述随机数的基本理论及其发生器的原理,根据目前工程应用的需要,针对当前真随机数生成器(True Random Number Generator, TRNG)中存在资源开销大、可移植性差的问题,本文提出了一种基于振荡器噪声源的随机数发生器实现方法。 (2)设计真随机脉冲X射线电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)信号发生器,该发生器不仅可以模拟探测器的输出信号也是对随机数随机特性的验证电路。该发生器以振荡采样法产生真随机序列为基础,采用XILINX公司的FPGA(型号:XC3S200)测试平台,采用VHDL编程,通过改变数字模拟转换器(Digital to Analog Converter, DAC)输出电压值来实现输出脉冲幅度可调。输出脉冲时间间隔是服从指数分布的。该发生器较好的仿真了核脉冲到达时间的随机特性,用于电子学系统在室温下的功能调试。 (3)本文探讨了随机源、采样频率等设计参数对TRNG输出结果随机特性的影响。采用两种伪随机处理电路相结合的方式提高随机特性。对采集的数据结果进行了统计验证,并对其性能进行了分析和总结。这是对用振荡器采样实现随机数发生器的一种理论验证,其结果可以供系统芯片、嵌入式系统或者高质量随机数发生器研发人员参考。