面向高速保密通信的激光混沌物理随机数发生器研究进展

物理随机数在密码学、通信及国家安全等领域具有重要应用价值。传统的物理随机数发生器受限于熵源(如热噪声等)带宽的限制,码率仅处于Mb/s量级。近年来,随着宽带光子熵源(如混沌激光、放大自发辐射噪声)的出现,研究学者提出了众多高速随机数产生方案。其中,混沌激光由于其高带宽、大幅度、易集成等特性,获得了人们的极大关注,被广泛应用于Gb/s量级物理随机数的产生。结合国内外研究现状,对基于混沌激光的物理随机数产生方案进行了综述,分析了各方案的优势及不足,归纳总结了当前混沌物理随机数发生器的研究热点,并指出了其未来可能的发展方向。     

面向混沌激光熵源的安全随机数提取

基于混沌激光的随机数发生器可以实现大量高速的真随机数产生。然而,受随机数产生过程中引入的额外技术噪声影响,原始随机数无法提供真随机性。为了从信息论的角度实现安全随机数的产生,必须定量评估熵源产生的随机性。本文中通过实验搭建基于混沌激光的随机数产生装置,使用条件最小熵评估原始随机数中可提取的真随机性。同时,通过更换不同的器件讨论关键参数对原始随机性的影响。在原始随机数的后处理提取过程中使用信息论可证安全的Toeplitz提取器,最终实现了安全随机数的产生。     

基于数字化带宽增强混沌激光信号的高速随机源

提出并验证了一种基于数字化带宽增强激光混沌信号的高速随机源。为消除光反馈半导体混沌激光信号中存在的弱周期性,将光反馈混沌半导体激光注入另一激光器产生的带宽增强混沌激光信号。用8 bit高速模数转换器对输出的增强带宽混沌激光信号进行采集,实现每个采样点产生多个随机位。为去除所提取原始随机位存在的偏差和提高随机位的产生效率,提出采用基于现场可编程逻辑阵列的安全哈希算法-256来提取随机位。采用4路并行处理技术获得了2.94 Gbit/s的在线随机数产生速率,每个采样点可平均产生4.65个随机比特位。所获的随机数通过了随机性测试程序ENT和STS中所有测试项。     

光子集成混沌半导体激光器研究进展（特邀）

混沌激光具有宽频谱、类噪声、低相干等特性,在保密光通信、高速随机数、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪和分布式光纤传感等领域具有重要的应用价值。光子集成混沌激光器是混沌激光应用的核心器件,具有体积小、性能稳定、成本低等优点。综述了近十年来光子集成混沌半导体激光器的进展及其主要应用。首先介绍了混沌半导体激光器的集成方式;接着介绍了光子集成混沌半导体激光器的分类,根据其扰动方式讨论了直腔单反馈、多腔反馈、环形腔反馈、二维外腔反馈、互注入等结构,并对比分析了各自的优势与输出特性;然后介绍了光子集成混沌半导体激光器在光时域反射仪、保密光通信和高速随机数产生等方面的应用;最后,讨论了光子集成混沌激光器的关键集成技术、时延特征抑制及间歇混沌的特性。     

一种基于正交调制的新型降噪差分混沌键控系统

针对降噪差分混沌键控(NR-DCSK)传输速率低的缺点,该文提出一种基于正交调制的新型降噪差分混沌键控(QM-NRDCSK)系统.发生器产生两路混沌序列,每一路的参考信号是信息承载信号的P次重复,不同用户信息通过不同时隙区分,两路信号使用正交调制在相同频带上传输.接收端通过滑动平均滤波器对每一路的参P考信号进行P次平均...     

基于布尔电路直接调制的混沌光时域反射仪

研制了一种基于布尔混沌直接调制激光器的混沌光 时域反射仪(COTDR),用 于实现光纤故障的高精度诊断。仪器利用布尔混沌作为调制信号,经驱动电路直接调制分布 反馈(DFB)激光器输出混 沌激光;混沌光经光纤耦合器分为两路,一路作参考光,另一路作探测光,注入到被测 光纤中,由故 障点反射的回波信号与参考光经光电转换后进行同步采样。最后对两组采样数据进行互相关 处理,根据相 关峰值判断故障点位置。实验结果表明,本文的COTDR能够检测到光纤的不匹配连接点和断 点等反射事件,并在 98km测量范围内可实现与距离无关的24cm空 间分辨率 。本文的COTDR结构简单、成本低,易于实现集成化和产品化,符合工程应用的实际需求。     

基于双光反馈垂直腔面发射激光器获取双路高速物理随机数研究

提出基于双光反馈下垂直腔面发射激光器(VCSELs) 输出的正交偏振分量混沌振荡来同时获取两 路物理随机数(PRN)的方案,数值分析了不同反馈强度下所获取的最终比特序列的随机性能 。研究结果表明,通 过选择合适的反馈参量可使VCSELs中两个偏振分量均呈现混沌振荡;其输出的两路混沌信号 作为熵源, 经8位模数转换器(ADC)量化、比特序列按位反转、异或(XOR)运算和m bit最低有效位(m-LSBs) 截 取等后续处理后可得到最终比特序列;采用美国国家标准技术研究所(NIST)提供的NIST special publication 800-22统计测试套件对基于不同反馈强度下 所产生的 混沌信号熵源所获取的最终比特序列的性能进行测试,初步确定了获取可通过NIST speical publication 800-22统计测试的两路随机数所需的反馈强 度的范围。     

混沌激光的产生与应用

激光器的不稳定性是一个普遍现象.而混沌是激光器不稳定性的一个重要特例.混沌激光作为激光器输出的一种特殊形式,具有类噪声宽频谱的特性.近年来,基于混沌激光的一些应用技术相继被提出与完善.本文结合国内外研究现状,简要介绍了利用半导体激光器产生混沌激光,以及混沌激光在保密光通信、激光测距、光纤断点检测、对激光相干长度任意调控等方面的应用与研究进展.     

双环掺铒光纤激光器混沌相移控制方法研究

提出双环单模掺铒光纤激光器激光混沌相移控制方法以及物理模型，数值计算出该激光器的最大李亚谱诺夫(lyapunov)指数，分析了光耦合器耦合系数对激光由分岔进入混沌的动力学行为的影响。说明了相移控制器是通过控制电光相位调制器外调制电压来控制相移，从而实现控制激光光场相位以控制偏振耦合效应，最终实现了控制激光混沌动力学行为；单相移混沌控制方法能实时、动态、有效地控制激光混沌到稳定态和周期态；双相移混沌控制方法则可以灵活改变两个相移控制器的相位，也能实时、动态、有效地控制激光混沌到稳定态和周期态，并能进一步产生多种丰富的激光动力学行为现象。     

一种进行激光等离子体通道实验的设计

利用一束激光产生等离子体通道,进而使点火激光能顺利到达高密度区是快点火理论中实现点火的一个重要过程。提出了一种利用神光Ⅱ的二路装置产生通道的设计。该设计将其中一路长脉冲激光(350 ps,1.053μm)辐照靶箔产生等离子体,用另一路短脉冲激光(1 ps,1.053μm)在上述预等离子体中打通道,并将后者的一部分激光经分离和四倍频(0.263μm)后作探针光,采用Normaski型偏振干涉系统对通道等离子体电子密度分布进行干涉诊断测量的实验研究设计。     

基于压控振荡器的真随机数发生器设计

通过对频率抖动机理的研究,提出一种基于压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator,VCO）的真随机数发生器（True Random Number Generator,TRNG）设计方案.该方案将电阻热噪声放大后作为VCO的控制信号使其振荡频率在中心频率附近随机抖动.VCO所产生的慢振荡信号对周期固定的快振荡信号采样生成原始随机序列,然后利用后处理电路提高序列均匀性并消除自相关性.通过热噪声发生器调节VCO的中心频率可实现序列比特率和随机性之间的权衡.所提电路采用SMIC 55nm CMOS工艺设计,芯片面积0.0124mm²,比特率10Mbps,平均功率0.81mW.输出的随机序列通过NIST SP 800-22测试.     

基于光电倍增管单光子脉冲幅度分布的多比特光量子随机源

提出并验证了一种基于光电倍增管单光子脉冲高 度分布的多比特光量子随机源。将紫外LED发出 的光衰减成离散的单光子序列,光电倍增管探测到的单光子后,输出脉冲幅度随机分布的单 光子脉冲,通 过数字化单光子脉冲的峰值作为熵源来提取随机数,实现了一个单光子事件产生多个随机比 特位。为减小 所提取原始随机数存在的偏差,提出并实现了基于FPGA的SHA-256后 处理方法。光量子随机源工作在 500kc/s时,平均每个探测光子可提取7bit随机位,获得了3.5Mbit/s的随机位产生速率。运用随机性 测试程序ENT和STS对所获的随机位序列进行测试,测试结果表明,序列的随机性满足真随机 数的标准。     

DRAM as source of randomness

Proposed is a true random number generator (TRNG) based on collision between DRAM accesses and refresh operations. The generator repeatedly executes a short code and reads a part of time counter register after each execution without an explicit post-processing. The simplicity allows the generation of true random numbers with a reasonable efficiency on commodity desktop computers without special devices and opens the possibility for simple TRNG on devices that use DRAM. Although very simple, the quality of the bit sequence is surprisingly good, as demonstrated by test results using NIST test suite.     

Signal‐Dependent Chaotic‐State‐Modulated Digital Secure Communication

In this letter, a discrete state, discrete time chaotic pseudo random number generator (CPRNG) is presented for stream ciphering of text, audio, or image data. The CPRNG is treated as a finite state machine, and its state is modulated according to the input bit sequence of the signal to be encrypted. The modulated state sequence obtained can be transmitted as a spread spectrum or encrypted data.     

基于FPGA的Lorenz混沌序列的设计及统计测试

硬件加密及混沌算法的应用在信息安全领域中有重要的意义.这里以一种实际应用中常用的Lorenz混沌系统为例,介绍了利用FPGA技术实现该混沌序列的一种物理生成方法,并介绍了衡量此随机比特生成器质量的统计测试方法,这不同于以往的普通序列测试.通过统计测试实验表明,此随机比特生成器所生成的四个序列中x序列的统计特性没有其它三个序列好,在实际运用中应加以注意.可见统计测试在随机比特生成器的质量验证中有着很为必要的作用.     

A SPAD-based random number generator pixel based on the arrival time of photons

A quantum random generator based on photon detection is here presented. The system consists of a photon source, typically a commercial LED, coupled with a detector with single photon detection capability. The detector is composed of a Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) and a time stamp circuit, which samples the arrival time of impinging photons within a predefined temporal window. The proposed implementation optimizes the area, allowing embedding all circuitry into a single pixel, and increases the efficiency of random bit extraction. Moreover, the adopted fast pre-charge mode of the SPAD quenching circuit reduces the afterpulsing probability, and hence possible undesirable correlation in the resulting random bit sequence. Thanks to the implemented random bit extraction, experimental results show that the pixel has a flat behavior for a significant range of light intensity, which makes the pixel robust against variations of external PVT parameters. The maximum achievable bit rate has been measured equal to 1 Mbps, while random sequences are shown to pass NIST tests without any post-processing.     

Emitter-coupled pair chaotic generator circuit

An emitter-coupled pair chaotic generator is proposed with a control parameter that can be tuned for distinct chaotic behaviors. The proposed circuit is a compact, high-speed implementation of the chaotic map based on the hyperbolic tangent function. It is demonstrated that the circuit and map parameters are analytically related. As an application, we design a random number generator that passes all NIST statistical tests by applying a post-processing to the balanced bit sequence generated by a quantization of the circuit output.     

不可预测性与伪随机性是等价的一种应用

伪随机产生器是一种有效的确定性算法,它将随机选择的位种子扩展为较长的伪随机序列,并且这些序列在多项式时间内与真正的随机序列是不可分的。本篇文章中主要是在大整数分解是困难的假设条件下,对Goldreich已构造的一种伪随机产生器,利用不可预测性与伪随机性是等价的方法进行另一种证明。     

Source codes as random number generators

A random number generator generates fair coin flips by processing deterministically an arbitrary source of nonideal randomness. An optimal random number generator generates asymptotically fair coin flips from a stationary ergodic source at a rate of bits per source symbol equal to the entropy rate of the source. Since optimal noiseless data compression codes produce incompressible outputs, it is natural to investigate their capabilities as optimal random number generators. We show under general conditions that optimal variable-length source codes asymptotically achieve optimal variable-length random bit generation in a rather strong sense. In particular, we show in what sense the Lempel-Ziv (1978) algorithm can be considered an optimal universal random bit generator from arbitrary stationary ergodic random sources with unknown distributions     

用白噪声源实现高速真随机码

本文分析了用白噪声产生高速真随机码的基本原理.用HP346C宽带白噪声源和二级带有判决电路的D触发器,产生了高速非归零真随机码,避免了由亚稳态造成的延时抖动.