Спосіб та пристрій для генерації випадкових чисел

1. Спосіб генерації випадкових чисел для використання в приладі безпровідного зв'язку, який полягає в тому, що генерують випадкові числа, що мають регульований розподіл на основі щонайменше одного регульованого вхідного значення; формують вибірку генерованих випадкових чисел; обчислюють щонайменше одну метрику на основі вибірки; порівнюють метрику з відповідним опорним значенням; і регулюють регульоване вхідне значення на основі результату порівняння так, щоб генеровані випадкові числа досягали необхідного розподілу; при цьому регулювання регульованого вхідного значення на основі згаданого порівняння містить етапи, на яких регулюють значення зсуву постійної складової для генерації аналогової напруги шумів для того, щоб викликати досягнення генерованими випадковими числами необхідного числового середнього значення; і регулюють значення опорної напруги для того, щоб викликати досягнення генерованими випадковими числами необхідного числового діапазону. 2. Спосіб за п. 1, у якому згадана метрика включає в себе середнє значення. 3. Спосіб за п. 1, у якому згадана метрика включає в себе значення середньоквадратичного відхилення. 4. Спосіб за п. 1, у якому згадана метрика включає в себе значення ентропії. 5. Спосіб за п. 1, у якому згадане регулювання включає в себе регулювання регульованого вхідного значення за лінійним алгоритмом. 2 (19) 1 3 90113 4 ня регульованого вхідного значення за лінійним 26. Носій інформації за п. 19, у якому обчислення алгоритмом. щонайменше однієї метрики на основі вибірки міс15. Пристрій за п. 10, у якому згаданий засіб для тить етапи, на яких обчислюють першу метрику, регулювання включає в себе засіб для регулюванщо представляє середнє значення випадкової виня регульованого вхідного значення за нелінійним бірки; і обчислюють другу метрику, що представалгоритмом. ляє середньоквадратичне відхилення випадкової 16. Пристрій за п. 10, у якому згаданий засіб для вибірки. регулювання включає в себе засіб для регулюван27. Носій інформації за п. 19, у якому необхідний ня регульованого вхідного значення за адаптиврозподіл є розподілом Гаусса, що має середнє ним алгоритмом. значення, відповідне до центрального значення 17. Пристрій за п. 10, у якому засіб для обчислендіапазону для випадкових чисел. ня щонайменше однієї метрики на основі вибірки 28. Процесор для регулювання випадково генеромістить засіб для обчислення першої метрики, що ваних чисел, виконаний з можливістю обчислення представляє середнє значення випадкової вибірщонайменше однієї метрики на основі вибірки вики; і засіб для обчислення другої метрики, що падково генерованих чисел, які мають регульовапредставляє середньоквадратичне відхилення ний розподіл на основі щонайменше одного регувипадкової вибірки. льованого вхідного значення; порівняння метрики 18. Пристрій за п. 10, у якому необхідний розподіл з відповідним опорним значенням; і регулювання є розподілом Гаусса, що має середнє значення, регульованого вхідного значення на основі ревідповідне до центрального значення діапазону зультату порівняння так, щоб генеровані випадкові для випадкових чисел. числа досягали необхідного розподілу; при цьому 19. Зчитуваний комп'ютером носій інформації, що регулювання регульованого вхідного значення на втілює засіб для здійснення способу генерації виоснові згаданого порівняння містить регулювання падкових чисел у приладі безпровідного зв'язку, значення зсуву постійної складової для генерації який полягає в тому, що обчислюють щонайменше аналогової напруги шумів для того, щоб викликати одну метрику на основі вибірки випадково генеродосягнення генерованими випадковими числами ваних чисел, які мають регульований розподіл на необхідного числового середнього значення; і реоснові щонайменше одного регульованого вхідногулювання значення опорної напруги для того, го значення; порівнюють метрику з відповідним щоб викликати досягнення генерованими випадкоопорним значенням; і регулюють регульоване вхівими числами необхідного числового діапазону. дне значення на основі результату порівняння так, 29. Процесор за п. 28, у якому згадана метрика щоб генеровані випадкові числа досягали необхідвключає в себе середнє значення. ного розподілу; при цьому регулювання регульо30. Процесор за п. 28, у якому згадана метрика ваного вхідного значення на основі згаданого порівключає в себе значення середньоквадратичного вняння містить етапи, на яких регулюють значення відхилення. зсуву постійної складової для генерації аналогової 31. Процесор за п. 28, у якому згадана метрика напруги шумів для того, щоб викликати досягнення включає в себе значення ентропії. генерованими випадковими числами необхідного 32. Процесор за п. 28, у якому згадане регулюванчислового середнього значення; і регулюють знаня регульованого вхідного значення включає в чення опорної напруги для того, щоб викликати себе регулювання регульованого вхідного значендосягнення генерованими випадковими числами ня за лінійним алгоритмом. необхідного числового діапазону. 33. Процесор за п. 28, у якому згадане регулюван20. Носій інформації за п. 19, у якому згадана метня регульованого вхідного значення включає в рика включає в себе середнє значення. себе регулювання регульованого вхідного значен21. Носій інформації за п. 19, у якому згадана метня за нелінійним алгоритмом. рика включає в себе значення середньоквадрати34. Процесор за п. 28, у якому згадане регулюванчного відхилення. ня регульованого вхідного значення включає в 22. Носій інформації за п. 19, причому згадана себе регулювання регульованого вхідного значенметрика включає в себе значення ентропії. ня за адаптивним алгоритмом. 23. Носій інформації за п. 19, у якому згадане ре35. Процесор за п. 28, у якому обчислення щонайгулювання включає в себе регулювання регульоменше однієї метрики на основі вибірки містить ваного вхідного значення за лінійним алгоритмом. обчислення першої метрики, що представляє се24. Носій інформації за п. 19, у якому згадане ререднє значення випадкової вибірки; і обчислення гулювання включає в себе регулювання регульодругої метрики, що представляє середньоквадраваного вхідного значення за нелінійним алгориттичне відхилення випадкової вибірки. мом. 36. Процесор за п. 28, у якому необхідний розподіл 25. Носій інформації за п. 19, у якому згадане реє розподілом Гаусса, що має середнє значення, гулювання включає в себе регулювання регульовідповідне до центрального значення діапазону ваного вхідного значення за адаптивним алгоритдля випадкових чисел. мом. Даний винахід стосується генераторів випадкових чисел. Більш конкретно, даний винахід стосується способів та пристроїв для стабільних, уз годжених генераторів випадкових чисел, що самокалібруються, для крупносерійного виробництва приладів безпровідного зв'язку. 5 90113 6 У терміналах або приладах безпровідного що рамки винаходу не повинні обмежуватися дезв'язку існує необхідність в генераторах випадкоталями конструкції і компонуванням компонентів, вих чисел, наприклад, для криптографічних приквикладених в подальшому описі або проілюстроладних задач. Однак, варіації робочих умов (таких, ваних на кресленнях. Також, потрібно зрозуміти, як зміни температури, напруги і струму) та варіації що фразеологія і термінологія, які використовухарактеристик компонентів (зумовлені неузгоджеються тут, призначені для мети опису і не повинні ністю при виготовленні компонентів, старінням, розглядатися як обмежуючі. терміном зберігання і терміном служби) призвоФіг.1 ілюструє блок схему автоматичного генедять до того, що у існуючих генераторів випадкоратора 100 випадкових чисел, що самонастроювих чисел варіюються експлуатаційні якості генеється, згідно з одним варіантом здійснення. Генерації випадкових чисел. Отже, в подібних ратор 100 випадкових чисел в основному включає приладах, виготовлених для одноманітної роботи, в себе апаратні засоби 102 аналогового генератоїх експлуатаційні якості флуктують внаслідок того, ра шуму, апаратні засоби 104 керуючого процесощо узгоджені генератори випадкових чисел варіра і програмний модуль 106 керуючого процесора. юються за своїми експлуатаційними якостями, і, Апаратні засоби 102 аналогового генератора шуму таким чином, виробляють різні розподіли випадкозабезпечують випадкову аналогову напругу, яка вих чисел. нормально розподіляється зі середнім значенням Отже, існує необхідність в генераторах випадX та середньоквадратичним відхиленням S. Апакових чисел, які працюють рівномірно, незважаючи ратні засоби 102 аналогового генератора шуму на варіації характеристик компонентів, робочих також можуть включати в себе шумовий діод 108 і умов та оточуючого середовища. Також, існує непідсилювач 110 для формування сигналу згідно з обхідність в однаково виготовлених приладах для одним варіантом здійснення. Шумовий діод може однакового функціонування і для рівномірної та бути використаний в ділянці зворотної пробивної узгодженої роботи. напруги, зміщеній так, щоб функціонувати на вигиРозкриті варіанти здійснення забезпечують ні вказаної частини робочої характеристики. Коли новітні і поліпшені способи та пристрої для генедіод працює в цій ділянці, змінна напруга на його рації випадкових чисел. В одному аспекті, спосіб виводах являє собою гауссів розподіл з рівноміргенерації випадкових чисел для використання в ною спектральною щільністю по всій його ширині приладі безпровідного зв'язку забезпечується для смуги. генерації випадкових чисел і формування вибірки Апаратні засоби 104 керуючого процесора генерованих випадкових чисел. Спосіб додатково включають в себе аналогово-цифровий перетвозабезпечується для обчислення, щонайменше, рювач (ADC, АЦП) 112, центральний процесор однієї метрики, як наприклад, середнього значен(CPU, ЦП) або комп'ютер і цифрово-аналогові пеня, середньоквадратичного відхилення і/або ентретворювачі (DAC, ЦАП) 114 та 116. АЦП 112 перопії, на основі сформованої вибірки і порівняння ретворює в цифрову форму аналогову напругу метрики з відповідним опорним значенням. Спосіб шумів на основі опорної напруги (V-Ref) і генерує додатково забезпечується для регулювання метвипадкові числа. ЦП в поєднанні з керуючим прорики на основі результату порівняння так, щоб грамним модулем обчислює, щонайменше, одну генеровані випадкові числа досягали необхідного метрику на основі вибірки дискретизованої напруги розподілу. шумів, наприклад, випадкових чисел, регулює В іншому аспекті, пристрій для генерації випаопорну напругу (V-Ref), що вводиться в АЦП 112, і дкових чисел включає в себе аналоговий генеравведення зсуву сталої складової підсилювача 110, тор шуму та апаратні компоненти для генерації щоб «підганяти» розподіл випадкових чисел у «вівипадкових чисел і значень зворотного зв'язку для кно» повного діапазону функціональних можливорегулювання випадкових чисел та їх розподілів. стей АЦП. Зсув сталої складової являє собою сеПристрій додатково включає в себе процесор, виреднє X випадкових чисел, а опорна напруга (Vконаний з можливістю виконання інструкцій для Ref) являє собою середньоквадратичне відхиленздійснення алгоритмів керування для регулювання ня випадкових чисел. Опорна напруга АЦП перетвипадкових чисел та їх розподілів. ворювача відповідає повномасштабним функціоНадалі винахід пояснюється описом конкретнальним можливостям дискретизації АЦП них варіантів його здійснення з посиланнями на перетворювача, тобто, вона встановлює максимасупроводжуючі креслення, на яких: льну напругу в АЦП, яка може бути перетворена в Фіг.1 ілюструє блок схему генератора випадцифрову форму без підвищуючого масштабування кових чисел, перетворювача. Таким чином, регулювання опорФіг.2 ілюструє процедурну блок-схему для геної напруги прямо пропорційне перетворенню понерації випадкових чисел, двійної амплітуди напруги АЦП. Фіг.3 ілюструє епюри напруги шумів для однаЗгідно з одним варіантом здійснення, програково виготовлених приладів, мний модуль 106 керуючого процесора працює на Фіг.4 ілюструє розподіли випадкових чисел вибірці випадкових чисел, що виробляє АЦП передля однаково виготовлених приладів без регулютворювач 112 та обчислює середнє значення X і вання, і середньоквадратичне відхилення S вибраної вибіФіг.5 ілюструє однакові розподіли випадкових рки для подачі зворотно в ЦАП перетворювачі 114 чисел для однаково виготовлених приладів з авта 116, відповідно. Середнє значення X використоматичним регулюванням. товується для керування місцеположенням піка Перед тим, як будуть детально пояснюватися гістограми випадкових чисел, генерованих АЦП декілька варіантів здійснення, потрібно зрозуміти, перетворювачем 112, як показано хвильовою фо 7 90113 8 рмою 118. Середньоквадратичне відхилення S відповідних підсилювачів 110. Ці три епюри мають використовується для керування шириною гістогрізні середнє значення і значення середньоквадрами випадкових чисел, генерованих АЦП перетратичного відхилення, внаслідок різниці характеворювачем 112, як показано хвильовою формою ристик складових компонентів, робочих умов та 120. оточуючого середовища. У типових системах генератора випадкових Фіг.4 ілюструє три розподіли випадкових чисел чисел, де компонується тільки декілька і робоче для трьох однаково виготовлених приладів, згадасередовище є квазістатичним, системи можуть них в зв'язку з Фіг.3, без автоматичного регулюрегулюватися за допомогою зміни їх частин, щоб вання. Ці розподіли випадкових чисел відповідадосягнути узгодженого розподілу випадкових чиють випадковим числам, генерованим на виході сел по всіх системах. Однак, в крупносерійному відповідних АЦП перетворювачів 112. Вони всі виробництві, наприклад, мобільних телефонів, також мають різні середнє значення і значення існує потреба в здатності автоматичного регулюсередньоквадратичного відхилення. вання, яка забезпечує узгоджений розподіл випадФіг.5, однак, ілюструє три одноманітних розкових чисел протягом усього крупносерійного виподіли випадкових чисел для однаково виготовлеробництва і при робочих умовах, що варіюються. них приладів, згаданих в зв'язку з Фіг.3, з механізФіг.2 ілюструє блок-схему для регулювання мом автоматичного регулювання. Згадані розподілів випадкових чисел згідно з одним варіарозподіли випадкових чисел відповідають випаднтом здійснення. На етапі 202 вибираються деякі ковим числам, генерованим на виході відповідних початкові значення для зсуву сталої складової та АЦП перетворювачів 112. Вони, відповідно до виопорної напруги (V-Ref), які можуть дорівнювати моги, мають дуже близькі середнє значення і знаостаточним значенням, одержаним, коли генерачення середньоквадратичного відхилення, незватор випадкових чисел настроювався останній раз. жаючи на різницю характеристик їх складових На етапі 204 вибирається вибірка випадкових чикомпонентів, робочих умов та оточуючого середосел, зроблених АЦП перетворювачем 112. На етавища. пі 206 обчислюється вибрана вибірка випадкових Отже, розкриті тут керуючий процесор і прочисел і порівнюється з опорним середнім значенграмний модуль регулюють генератор випадкових ням. Опорне середнє значення може бути вибране чисел, щоб він виробляв подібні розподіли випадна основі бітової розрядності АЦП перетворювача кових чисел у всіх численних однаково виготовлегенератора випадкових чисел. Наприклад, для 8них приладах при робочих умовах, що варіюються. бітового АЦП, опорне або необхідне середнє знаНаприклад, після того, як задоволені критерії речення могло б дорівнювати 127, щоб відповідати гулювання середнього значення і сигми, генератор необхідній гауссовій гістограмі 122 випадкових випадкових чисел вважається відкаліброваним і чисел. Опорне середнє значення 127 відповідає готовим забезпечити випадкові числа для необсередній точці діапазону 8-бітового АЦП. На основі хідної прикладної задачі з метриками, які є узгопорівняння, проведеного на етапі 206, регулюєтьдженими на всьому початковому етапі виробництся значення зсуву сталої складової, що вводиться ва, при всіх варіаціях оточуючого середовища і по в підсилювач 110, на етапі 208 або 210, регулювсьому терміну служби виробу. ються відповідні значення за деяким лінійним, неВ іншому варіанті здійснення, додаткові метлінійним або адаптивним алгоритмом керування, рики, такі як ентропія, які показують, як багато видобре відомим в рівні техніки. падковості існує в генерованих випадкових числах, Аналогічно, на етапі 212, обчислюється знатакож можуть обчислюватися і регулюватися для чення середньоквадратичного відхилення вибрарегулювання експлуатаційних якостей генератора ної вибірки випадкових чисел, яке порівнюється з випадкових чисел. опорним значенням середньоквадратичного відФахівцям в даній галузі техніки повинне бути хилення. Опорне значення середньоквадратичнозрозуміло, що інформація і сигнали можуть бути го відхилення може бути вибране на основі точнопредставлені з використанням будь-якої з різності або значення повної шкали АЦП генератора маніття різних технологій та протоколів. Напривипадкових чисел. Наприклад, для 8-бітового АЦП клад, дані, інструкції, команди, інформація, сигна112, опорне або необхідне значення середньоквали, біти, символи та елементарні сигнали (чіпи), дратичного відхилення могло б дорівнювати 41, які можуть згадуватися протягом опису, можуть щоб відповідати необхідній гауссовій гістограмі бути представлені напругами, струмами, електро122 випадкових чисел. Опорне значення середмагнітними хвилями, магнітними полями або часньоквадратичного відхилення 42 відповідає прибтинками, оптичними полями або частинками, або лизно одній шостій діапазону 8-бітового АЦП, забудь-якою їх комбінацією. безпечуючи розподіл випадкових чисел в АЦП, що Також фахівцям в даній галузі техніки повинне становить шість сигма. На основі порівняння, пробути зрозуміло, що різні ілюстративні логічні бловеденого на етапі 212, регулюється введення в ки, модулі, схеми та етапи алгоритмів, описані в ЦАП 116, на етапі 214 або 216, регулюються відзв'язку з розкритими тут варіантами здійснення, повідні значення за деяким лінійним, нелінійним можуть бути виконані у вигляді електронних апаабо адаптивним алгоритмом керування, добре ратних заходів, комп'ютерного програмного забезвідомим в рівні техніки. печення або їх комбінації. Щоб зрозуміло проілюсФіг.3 ілюструє три епюри напруги шумів, генетрувати цю взаємозамінність апаратних заходів та ровані трьома однаково виготовленими приладапрограмного забезпечення, різні компоненти, бломи. Вказані епюри напруги шумів відповідають ки, модулі, схеми та етапи були описані в основсигналам, генерованим у вигляді вихідних сигналів ному з точки зору їх функціональних можливостей. 9 90113 10 Чи виконуються згадані функціональні можливості цесором. Процесор і носій даних можуть постійно у вигляді апаратних заходів або програмного зазнаходитися в ASIC-спеціалізованій інтегральній безпечення, залежить від конкретної прикладної схемі ASIC. Схема ASIC може знаходитися в коризадачі і проектних обмежень, накладених на всю стувальницькому терміналі. Альтернативно, просистему. Фахівці в даній галузі техніки можуть рецесор і носій даних можуть постійно знаходитися у алізувати описані функціональні можливості мновигляді дискретних компонентів користувальницьжиною способів для кожного конкретного застосукого термінала. вання, але такі конструкційні рішення не повинні Опис розкритих варіантів здійснення забезпеінтерпретуватися як такі, що виходять за рамки чується, щоб дозволити фахівцеві в даній галузі даного винаходу. техніки виконати або використати даний винахід. Різні ілюстративні логічні блоки, модулі та Для фахівців в даній галузі техніки будуть очевидні схеми, описані в зв'язку з розкритими тут варіанрізні модифікації згаданих варіантів здійснення, і тами здійснення, можуть бути реалізовані або вивизначені тут основоположні принципи можуть конані за допомогою універсального процесора, застосовуватися до інших варіантів здійснення, процесора цифрової обробки сигналів (DSP), спенаприклад, в засобах послуги оперативної переціалізованої інтегральної схеми (ASIC), програмосилки повідомлень або будь-яких загальних прикваної вентильної матриці (FPGA) або іншого проладних задачах безпровідного зв'язку, не відхиляграмованого логічного приладу, дискретного ючись від суті і не виходячи за рамки обсягу дановентиля або транзисторної логіки, дискретних го винаходу. Таким чином, даний винахід не призкомпонентів апаратних заходів або будь-якої їх начений, щоб обмежуватися показаними тут комбінації, розрахованої для виконання описаних варіантами здійснення, але повинен відповідати тут функцій. Універсальний процесор може бути широкому обсягу, який узгоджується з розкритими мікропроцесором, але альтернативно, процесор тут принципами та новими ознаками. може бути будь-яким відомим процесором, контПерелік посилальних позицій ролером, мікроконтролером або кінцевим автома100 автоматичний генератор випадкових читом. Процесор також може бути виконаний у висел гляді комбінації обчислювальних приладів, 102 засоби аналогового генератора шуму наприклад, комбінації DSP процесора і мікропро104 апаратні засоби керуючого процесора цесора, множини мікропроцесорів, одного або де106 програмний модуль керуючого процесора кількох мікропроцесорів в поєднанні з ядром DSP 108 шумовий діод процесора або будь-якої іншої такої конфігурації. 110 підсилювач Етапи способу або алгоритм, описані в зв'язку 112 аналогово-цифровий перетворювач з розкритими тут варіантами здійснення, можуть 114, 116 цифрово-аналогові перетворювачі бути втілені безпосередньо у вигляді апаратних 118, 120 хвильова форма (регулювання серезаходів, у вигляді програмного модуля, що виконудньоквадратичного відхилення генератора випадється процесором, або у вигляді їх комбінації. Прокових чисел) грамний модуль може постійно зберігатися в опе122 гауссова гістограма випадкових чисел ративному запам'ятовуючому пристрої (RAM, 202 початкові значення для зсуву сталої склаОЗП), флеш-пам'яті, постійному запам'ятовуючому дової та опорної напруги (V-Ref) пристрої (ROM, ПЗП), стираному програмованому 204 вибір вибірки випадкових чисел, зроблепостійному запам'ятовуючому пристрої (EPROM, них АЦП перетворювачем 112 СППЗП), електрично стираній пам'яті (EEPROM, 206 обчислення вибраної вибірки випадкових ЕСППЗП, регістрах, жорсткому диску, змінному чисел і порівняння з опорним середнім значенням диску, магнітному постійному запам'ятовуючому 208, 210, 214, 216 регулювання відповідних пристрої (MS-ROM) або в будь-якій іншій формі значень за деяким лінійним, нелінійним або адапносія даних, відомій в рівні техніки. Ілюстративний тивним алгоритмом керування носій даних приєднується до процесора, так що 212 обчислення значення середньоквадратичпроцесор може зчитувати інформацію з носія даного відхилення вибраної вибірки випадкових чиних і записувати інформацію на нього. Альтернасел, яке порівнюється з опорним значенням серетивно, носій даних може бути інтегрованим з продньоквадратичного відхилення 11 90113 12 13 90113 14 15 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 90113 Підписне 16 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601