FPGA实现的真随机数发生器：设计与性能分析

"该文介绍了一种在EDA/PLD(电子设计自动化/可编程逻辑器件)中基于FPGA(FPGA场效应管阵列)的真随机数发生器设计与实现，采用一对振荡环路的相位漂移和亚稳态作为随机源，并结合线性反馈移位寄存器的输出进行后续处理。在Xilinx Virtex-5平台上进行了测试，结果显示设计的随机数序列通过了严格的DIEHARD测试，满足统计特性要求。由于设计仅使用了普通逻辑单元，因此易于移植到ASIC(专用集成电路)设计，大幅缩短开发周期。真随机数发生器在统计分析、信息安全等多个领域有重要应用，要求数据序列具有良好的随机性和不可预测性。" 本文着重阐述了基于FPGA的真随机数发生器设计方法，首先，利用一对振荡环路的相位漂移和抖动现象作为基础随机源，这是因为在实际电路中，这种漂移和抖动具有非确定性，能够提供真正的随机性。亚稳态，即电路在短暂时间内处于不确定状态，也被利用来增加随机性。接下来，设计采用了线性反馈移位寄存器(LFSR)的输出，通过对原始随机序列进行运算，进一步增强随机序列的质量。 在实验阶段，设计者在Xilinx Virtex-5 FPGA平台上进行了测试，探究了不同振荡器数量和采样频率对随机序列统计特性的影响。这些参数的选择直接影响到随机数的分布均匀性和独立性。DIEHARD测试是评估随机数序列质量的常用标准，通过该测试表明，设计的随机数发生器性能良好，满足实际应用的需求。 文章还提到了真随机数发生器在统计学和信息安全领域的广泛应用，特别是在信息安全中，随机数的不可预测性是防止密码破解和保证数据安全的关键。作者引用了B.Sunar, W.J.Martin和D.R.Stinson的观点，指出真随机数发生器的性能取决于熵源、采集方式和后续处理这三个关键因素。 文中列举了三种真随机数产生方法：直接放大法、振荡采样法和离散时间混沌法。直接放大法利用电阻热噪声等物理噪声；振荡采样法则通过带有抖动的慢振荡器采样快振荡器；离散时间混沌法则利用混沌电路的复杂性。在数字电路设计中，尤其是FPGA平台，振荡采样法因其易于集成和实现的优势而被广泛应用。 该文揭示了一种基于FPGA的高效、可移植的真随机数发生器设计，对于提高电子设备的安全性和效率具有重要意义。通过优化设计和参数调整，可以进一步提升随机数的质量，满足不同应用领域的需求。