СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ Российский патент 2003 года по МПК G06F7/58 

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу генерирования случайных чисел и, в частности, к способу генерирования равномерных или чисто случайных чисел, которые, по существу, не имеют периодичности.

Известный уровень техники
Неупорядоченные случайные числа, имеющие равную частоту возникновения, в целом, широко используются при цифровом моделировании для анализа социальных и физических явлений. Кроме того, предлагались системы кодирования со случайными числами для защиты персональной информации при электронной торговле, в электронных историях болезни пациентов и при электронной диагностике на расстоянии.

В общем, случайные числа генерируются с помощью определенной компьютерной программы, в которой используются алгоритмы получения чисел с определенными свойствами распределения. Однако в случае генерирования случайного числа с помощью компьютерных алгоритмов, поскольку случайные числа получаются в соответствии с определенными математическими формулами, невозможно сгенерировать чисто случайные числа, не имеющие какой-либо периодичности или регулярности. Поэтому, когда с помощью таких псевдослучайных чисел кодируют важные персональные данные, закодированные данные могут быть легко декодированы и невозможно обеспечить достаточную степень защиты.

Для устранения вышеуказанного недостатка предлагалось генерировать случайные числа на основе электрических шумов, получаемых с помощью электрических элементов, таких как резистор и диод. Однако шумы, производимые резисторами, имеют так называемую характеристику 1/f. To есть более низкочастотные компоненты шумов имеют большую амплитуду и более высокочастотные компоненты шумов имеют более низкую амплитуду. Поэтому, когда случайные числа генерируют на основе двузначных сигналов, которые получаются в соответствии с амплитудой шума, возникает проблема, состоящая в том, что сгенерированные таким образом случайные числа имеют периодичность из-за характеристики 1/f. Равномерные или чисто случайные числа, не имеющие какой-либо периодичности, не могут быть сгенерированы таким способом. Диод также производит шум с характеристикой 1/f и поэтому случайные числа, сгенерированные с помощью шумов диода, также могут иметь периодичность.

Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение направлено на способ генерирования, по существу, чисто случайных чисел, не имеющих какой-либо периодичности или регулярности, на основе шумов, имеющих характеристику 1/f.

В соответствии с настоящим изобретением способ генерирования случайных чисел содержит следующие этапы:
получение первого шума, имеющего характеристику 1/f, с помощью первой схемы генератора шума и второго шума, имеющего характеристику 1/f, с помощью второй схемы генератора шума;
подачи указанного первого и второго шумов, имеющих характеристику 1/f, полученных с помощью первой и второй схем генератора шума, на дифференциальную схему для получения разностного сигнала между указанным первым шумом и указанным вторым шумом; и
генерирование из указанного разностного сигнала случайных чисел, которые не имеют периодичности, вызванной характеристиками 1/f первого и второго шумов.

В способе генерирования случайных чисел в соответствии с настоящим изобретением, хотя первый и второй шумы, полученные с помощью первой и второй схем генератора шума, имеют характеристику 1/f, сигнал разности, полученный из этих шумов, не имеет периодичности, вызванной характеристикой 1/f, так как вероятность того, что компоненты шумов, имеющие более высокую частоту, то есть более высокую частоту возникновения, будут удалены, становится более высокой, чем вероятность того, что будут удалены компоненты шумов, имеющие более низкую частоту, то есть более низкую частоту возникновения, и, таким образом, частота появления становится равномерной по всему частотному диапазону шумов. Поэтому в разностном сигнале, полученном из дифференциальной схемы, периодичность из-за характеристики 1/f компенсируется и чисто случайные числа, не имеющие периодичности, могут быть сгенерированы.

В предпочтительном варианте воплощения способа генерирования случайных чисел в соответствии с настоящим изобретением выходной сигнал дифференциальной схемы подается на схему аналогово-цифрового преобразования и преобразуется таким образом в цифровой сигнал. Цифровой сигнал, сгенерированный таким образом с помощью схемы аналогово-цифрового преобразования, используется в качестве случайных чисел. При этом различные виды случайных чисел могут быть получены путем изменения длины секций последовательности цифрового сигнала.

В другом предпочтительном варианте воплощения способа генерирования случайных чисел в соответствии с настоящим изобретением получают одну цифру из одного бита или множества битов цифрового сигнала, сгенерированного с помощью указанной схемы аналогово-цифрового преобразования, и затем эта цифра сравнивается с заранее определенным пороговым уровнем. Когда цифра равна или больше, чем пороговый уровень, устанавливается двоичная цифра "1", и когда цифра меньше, чем пороговый уровень, устанавливается двоичная цифра "0". При этом определяются вероятности возникновения "1" и "0", и указанный пороговый уровень может регулироваться таким образом, чтобы вероятности возникновения "1" и "0" становились равными 0,5 или были близки к 0,5. В качестве альтернативы можно регулировать периоды времени, в течение которых определяются вероятности возникновения "1" и "0", например, с помощью сгенерированных случайных чисел.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 изображает вариант воплощения схемы генерирования шума, используемой в способе генерирования случайных чисел в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 2 - блок-схему, иллюстрирующую вариант воплощения схемы генерирования случайных чисел, в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 3 - алгоритм, представляющий работу схемы генерирования случайных чисел, изображенной на фиг.2;
фиг.4 - диаграмму распределения случайных чисел, сгенерированных с помощью способа в соответствии с настоящим изобретением; и
фиг.5 диаграмму распределения случайных чисел, сгенерированных известным способом.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На фиг.1 изображен вариант воплощения схемы генерирования шума, которая используется в способе генерирования случайных чисел, в соответствии с настоящим изобретением. В данном варианте воплощения в качестве источника шума используется диод. Так как шумы, сгенерированные диодом, очень слабые, они усиливаются. В то же время устраняются периодические пульсации, которые могут содержаться в постоянном токе источника питания. Вывод 11, на который подают постоянное напряжение 12 В, соединен с положительным входным выводом усилителя 16 с помощью резисторов 12, 13 и электролитических конденсаторов 14, 15. Общая точка соединения между резистором 13 и электролитическим конденсатором 14 соединена с анодом диода 17, генерирующего шум, а катод этого диода заземлен. Конденсаторы 18 и 19 подключены между землей и точкой соединения резисторов 12 и 13.

Выходной вывод усилителя 16 заземлен через резисторы 21 и 22 обратной связи, и точка соединения между этими резисторами обратной связи соединена с отрицательным входным выводом усилителя 16. Выходной вывод усилителя 16 подключен через разделительный конденсатор 23 к фильтру верхних частот 24. Точка соединения между разделительным конденсатором 23 и фильтром 24 верхних частот соединена с землей через резистор 25. Благодаря фильтру 24 верхних частот может быть удален периодический компонент, такой как пульсации, содержащиеся в шумах. Поэтому на выходном выводе, подключенном к фильтру 24 верхних частот, получается шум, сгенерированный диодом 17 и усиленный усилителем 16. Этот шум имеет характеристику 1/f и называется сигналом шума. Представленные на фиг. 1 величины резисторов и емкостей приведены только для ссылки и следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается этими величинами.

На фиг.2 изображена блок-схема, представляющая вариант воплощения схемы, генерирующей случайные числа, в соответствии с настоящим изобретением. Она включает первую и вторую схемы 31 и 32 генерирования шума, каждая из которых конструктивно выполнена по схеме генерирования шума, изображенной на фиг.1. Сигналы шума, имеющие характеристику 1/f, сгенерированные с помощью первой и второй схем 31 и 32 генерирования шума, подаются на дифференциальную схему 33, на выходе которой получается разность между этими шумовыми сигналами. Сигналы шума, сгенерированные каждый из первой и второй схем 31 и 32 генерирования шума, имеют характеристику 1/f, в которой шумовой компонент, имеющий более низкую частоту, имеет большую амплитуду, и шумовой компонент, имеющий более высокую частоту, имеет меньшую амплитуду. Поэтому, когда шумовой сигнал, имеющий такую характеристику 1/f, подают на аналогово-цифровой преобразователь, частота появления более малого цифрового сигнала будет более высокой, чем частота появления большего цифрового сигнала. Это приводит к периодичности в преобразованном цифровом сигнале. Поэтому, если случайные числа будут сгенерированы из такого цифрового сигнала, имеющего периодичность, случайные числа также будут иметь периодичность. Таким способом не могут быть получены чисто случайные числа.

В настоящем изобретении для подавления вышеуказанной периодичности шумовые сигналы, сгенерированные с помощью первой и второй схем 31 и 32 генерирования шума, подают на дифференциальную схему 33 и получают разность между ними. При этом, так как вероятность появления компонента шума, имеющего более высокую частоту, выше, чем вероятность появления компонента шума, имеющего более низкую частоту, частота появления шумовых компонентов, имеющих более высокую частоту, снижается намного больше, чем частота возникновения шумовых компонентов, имеющих более низкие частоты. Поэтому периодичность разностного сигнала, полученного с помощью дифференциальной схемы 33, снижается и с помощью разностного сигнала, получаемого на выходе дифференциальной схемы 33, могут быть сгенерированы случайные числа, не имеющие периодичности, вызванной характеристикой 1/f.

В настоящем варианте воплощения разностный сигнал, получаемый с помощью дифференциальной схемы 33, подается на схему 34 аналогово-цифрового преобразования и преобразуется в цифровой сигнал. Сгенерированный таким образом цифровой сигнал подается на вычислительную схему 35. В вычислительной схеме 35 цифровой сигнал, подаваемый со схемы 34 аналогово-цифрового преобразования, может подаваться на выход в виде случайных чисел или на выход могут подаваться другие случайные числа, генерируемые путем изменения секций величины, полученной после цифрового преобразования. В настоящем варианте воплощения в вычислительной схеме 35 цифровая величина формируется из одного бита или множества бит цифрового сигнала и сформированная таким образом цифровая величина сравнивается с заранее заданной пороговой величиной для генерирования двоичных битов "1 и "0" случайных чисел.

Когда биты, равные "1" и "0", сгенерированные с помощью сравнения с пороговой величиной в схеме 35 вычисления, подают на выход в качестве случайных чисел, эти случайные числа могут отличаться от чисто случайных чисел по той причине, что частота возникновения этих "1" и "0" не регулируется. В настоящем варианте воплощения в схеме 35 вычисления вычисляют частоты возникновения битов "1" и "0", и пороговый уровень регулируют таким образом, что частоты возникновения становятся равными 0,5 или приблизительно 0,5.

На фиг.3 изображен алгоритм, представляющий процесс генерирования чисто случайных чисел путем вычисления частот возникновения битов "1" и "0" и путем регулирования порогового уровня так, чтобы частоты возникновения становились равными 0,5 или близкими к 0,5. На этапе S1 величина цифрового сигнала, подаваемого со схемы 33 аналогово-цифрового преобразования, сравнивается с пороговым уровнем, и бит "1" производится, когда цифровой сигнал не меньше, чем пороговый уровень, а бит "0" генерируется, когда цифровой сигнал меньше, чем пороговый уровень. Затем на этапе S2 частоты возникновения бита "1" и бита "0" вычисляют для заранее определенного периода.

Кроме того, на этапе S3 определяют, подходят или нет вычисленные частоты возникновения битов "1" и битов "0" близко к значению 0,5. Если определяется, что частоты возникновения не подходят близко к значению 0,5, на этапе S4 уровень порогового значения изменяется. В случае, когда частота возникновения бита "1" выше, чем частота возникновения бита "0", пороговый уровень увеличивают, но, когда частота возникновения бита "1" меньше, чем частота возникновения бита "0", пороговый уровень снижают.

При повторении вышеуказанных этапов частоты возникновения бита "1" и бита "0" становятся близкими к 0,5, и когда на этапе S3 определяют, что частоты возникновения бита "1" и бита "0" становятся близкими к 0,5, данные, содержащие случайные числа, состоящие из битов "1" и битов "0", записывают на этапе S5, и когда на этапе S6 подтверждается, что было записано требуемое количество случайных чисел, запись случайных чисел заканчивается на этапе S7.

На фиг. 4 изображена диаграмма, представляющая распределение случайных чисел, сгенерированных с помощью способа в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 4 отмечены 3000 точек, каждая из которых определена таким образом, что сгенерированное двоичное число делится на части по 16 битов, и величины, определяемые первыми и последними восемью битами, отмечены на вертикальной и горизонтальной осях соответственно. На фиг.5 изображена диаграмма, иллюстрирующая распределение случайных чисел в соответствии с известным способом, в котором используется только одна схема генерирования шума. В способе в соответствии с настоящим изобретением 3000 точек распределены равномерно и поэтому понятно, что случайные числа не имеют периодичности, вызванной характеристикой 1/f, присущей источнику генерирования шума.

Однако в известном способе, изображенном на фиг.5, точки собраны в определенных областях так, что формируется узор в виде пятен, что указывает на то, что случайные числа имеют периодичность.

Настоящее изобретение не ограничивается вариантом воплощения, описанным выше, но специалистом в данной области техники могут рассматриваться различные альтернативы и модификации в пределах объема настоящего изобретения. Например, в вышеприведенном варианте воплощения источник генерирования шума, предназначенный для генерирования шума, имеющего характеристику 1/f, построен на диоде, но он может быть сформирован с использованием другого элемента, такого как резистор.

Как подробно поясняется в способе в соответствии с настоящим изобретением, характеристика 1/f шума может быть подавлена путем получения разности между двумя шумами, сгенерированными с помощью двух схем генерирования шума, и на основе этой разности могут быть сгенерированы чисто случайные числа, не имеющие периодичности. Когда с использованием таких случайных чисел генерируются коды, они не могут быть легко декодированы. Это помогает улучшить защиту важной информации, и социальное значение настоящего изобретения очень велико. Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением характер случайных чисел может регулироваться путем управления частотами возникновения двоичных "1" и "0" и поэтому информация, закодированная с помощью таких случайных чисел, не может быть достаточно легко декодирована.

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в возможности генерирования случайных чисел, не имеющих какой-либо периодичности или регулярности. Способ генерирования чисто случайных чисел основан на использовании шумов, имеющих характеристику 1/f, при этом первый шум, имеющий характеристику 1/f, и второй шум, имеющий характеристику 1/f, подают на дифференциальную схему для получения разностного сигнала между первым шумом и вторым шумом, посредством чего подавляется влияние характеристики 1/f. Затем из разностного сигнала генерируются случайные числа, которые не имеют периодичности, вызванной характеристикой 1/f первого и второго шумов. 9 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ генерирования случайных чисел, содержащий этапы получения первого шума, имеющего характеристику 1/f, где f является частотой шумовых компонентов, с помощью первой схемы генерирования шума и получения второго шума, имеющего характеристику 1/f, с помощью второй схемы генерирования шума, подачи указанных первого и второго шумов, имеющих характеристики 1/f, полученных с помощью первой и второй схем генерирования шумов соответственно, на дифференциальную схему для получения разностного сигнала между первым шумом и вторым шумом и генерирования из разностного сигнала случайных чисел, которые не имеют периодичности, вызванной характеристиками 1/f, первого и второго шумов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разностный сигнал, полученный с помощью дифференциальной схемы, преобразуют с помощью схемы аналогово-цифрового преобразования в цифровой сигнал и полученный таким образом цифровой сигнал подают на выход в качестве случайных чисел. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что различные случайные числа генерируют путем изменения длины разрядных групп цифрового сигнала. 4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что одну цифру получают из множества битов цифрового сигнала, сгенерированного с помощью схемы аналогово-цифрового преобразования, при этом полученную таким образом цифру сравнивают с заранее определенным пороговым уровнем, и, когда цифра равна или больше, чем пороговый уровень, назначают двоичную цифру "1" и, когда цифра меньше, чем пороговый уровень, назначают двоичную цифру "0". 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в течение определенного периода определяют вероятности возникновения "1" и "0" и указанный пороговый уровень регулируют таким образом, чтобы вероятности возникновения "1" и "0" стали равными заданным величинам. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что пороговый уровень регулируют так, чтобы вероятности возникновения "1" и "0" были равными 0,5 или близкими к 0,5. 7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что регулируют период, в течение которого определяются вероятности возникновения "1" и "0". 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что период, в течение которого определяют вероятности возникновения "1" и "0", регулируют в соответствии с генерированными случайными числами. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждый из указанных первого и второго шумов вырабатывают с помощью элемента, генерирующего шум, который установлен в первой и второй схемах генерирования шума. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что шум генерируют с помощью элемента, сформированного на основе диода или резистора.