(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
雑音源のアナログノイズ波を、デジタルに変換するに際して、アナログノイズ波を整流したのち、アナログノイズ波の時間軸に於ける振幅の変化を、立ち上がり中波形、変化なし波形、立下り中波形として捉え、変化なし波形は直前の振幅の変化と同じとみなして、これに基づいて１、０のパルスを発生させ、一つおきのノイズ波形に相当する出力を反転させるランダムパルス発生方法。
【請求項２】
整流を全波整流で行う請求項１に記載したランダムパルス発生方法。
【請求項３】
一定レベル以下の雑音源のアナログノイズ波を切捨てて、デジタル化するとき、切り取られた信号（第一の信号の穴）で、一つおきのノイズ波形に相当する出力の反転を始め、次の切り取られた信号（第二の信号の穴）で反転を終了させることにより、デジタル化を行う請求項１又は２に記載したランダムパルス発生方法。
【請求項４】
雑音源からの雑音信号を増幅する増幅器、増幅器の出力を整流する整流器、整流器の出力を、クロックに同期したサンプリングにより経時的に比較して、振幅の変化を立ち上がり中波形、変化なし波形、立下り中波形として捉え、変化なし波形は直前の振幅の変化と同じとみなす回路、これに基づいて１、０のパルスを発生させるパルス発生回路、一つおきのノイズ波形に相当する出力を反転させる回路、反転させたパルスを１、０に置き換えてデジタル化する回路を具備するランダムパルス発生器。
【請求項５】
整流器が全波整流器である請求項４に記載したランダムパルス発生器。
【請求項６】
全波整流器とクロックに同期したサンプリングにより経時的に比較して、振幅の変化を立ち上がり中波形、変化なし波形、立下り中波形として出力し、変化なし波形は直前の振幅の変化と同じとみなす回路の間に、一定レベル以下の雑音源のアナログノイズ波を切捨てるスレッショルド回路を設け、切り取られた信号（第一の信号の穴）で、一つおきのノイズ波形に相当する出力の反転を始め、次の切り取られた信号（第二の信号の穴）で反転を終了させる回路、信号の穴の時に限りクロックを止め、その直前のデータを保持するスイッチ回路を有する請求項４又は５に記載したランダムパルス発生器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真性乱数を発生させることが知られているジャンクションノイズや熱雑音などの雑音源から発生するアナログノイズ波形から、ランダムパルスを得る方法及びその装置に関する。
より詳しくは、発生したランダムパルスが、真性乱数に基づくものであることが確かなランダムパルスを得る方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示すように、従来のランダムパルスは、雑音源のアナログノイズ波形の大きな波形のみに着目し、これをデジタル化するか、整流するか若しくは全波整流を行い、これをデジタル化していた。しかし、電源ノイズや増幅器から発生する不要なノイズを取り去るとき、低レベル域の信号を切り取るため、デジタル化した信号の１と０の比率が５０／５０とならない欠点があった。
このため、取り込んだ乱数データをソフトウエアなどにより再加工し、真性乱数に近づけるなどの処理が必要であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、雑音源のアナログノイズ波の大きな波形に含まれている複数の小さな波形の振幅の変化にも着目して、一つのアナログノイズ波から、含まれている複数の小さな波形の振幅に対応する数に相当するパルスを発生させ、もとの雑音源のアナログノイズ波の特性を失うことなく、ランダムパルスを得る方法及び装置を提供する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、雑音源のアナログノイズ波を、デジタルに変換するに際して、アナログノイズ波を整流したのち、ノイズ波形の時間軸に於ける振幅の変化を、クロックに同期したサンプリングにより経時的に比較して、振幅の変化を立ち上がり中波形、変化なし波形、立下り中波形として出力し、変化なし波形は直前の振幅の変化と同じとみなして、これに基づいてパルスを発生させ、一つおきのノイズ波形に相当する出力を反転させたのち、パルスを１、０に置き換えてデジタル化するランダムパルス発生方法及びその装置を発明するに至った。
【０００５】
さらに、本発明では、熱雑音に基づく真性乱数発生のメカニズムは、電流を流さない状態の抵抗体やダイオード等の熱雑音発生から発生する雑音が、そこに電流を流さないゆえに周波数ｆに逆比例する１／ｆ雑音（ゆらぎ）を含まない純粋の熱雑音であって、この純粋な熱雑音は、完全にランダムであることに基づくものであることから、アンプや電源から発生する不要なノイズの混入を防ぐことを目的として、熱雑音によるアナログノイズ波のみを正確に取り出す構成を付加することが出来る。
すなわち、本発明においては、ゼロクロス付近の信号は、スレッショルドを設けて切り取ることが出来る。
しかし、ゼロクロス点がずれると、１、０の出現率が変わり、０である時間より1である時間が長くなったり、１である時間より０である時間が長くなったりすることが起る。
【０００６】
このような現象は、自然乱数の条件に反するので、これを是正する必要がある。本発明者は、熱雑音によるアナログノイズ波形が、すべての周期を含む交流波形であることから、すべての交流波が、立ち上がりに費やす時間と、立下りに費やす時間が等しいという事実に着目し、一定レベル以下の雑音源のアナログノイズ波を、切捨てて、デジタル化するとき、予め、立ち上がりも立ち下がりもしないときの出力（波形のピーク又はボトム）を直前の出力と同じとみなして処理した上、切り取られた信号（第一の信号の穴）で、一つおきのノイズ波形に相当する出力の反転を始め、次の切り取られた信号（第二の信号の穴）で反転を終了させることにより、デジタル化を行う。
全波整流されたひとつおきの波形は、もともとの交流波形が反転された形になっており、この波形をもとの交流波形の立ち上がり、立下りに戻すためである。
このことにより、自然乱数の条件である特定ビットにおける１，０の出現率を５０％とすることができることを見いだした。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明では、ノイズ波形の時間軸に於ける振幅の変化を、時間で微分することにより、経時的に比較する手段は、波形における振幅の変化を検出できれば、どのような手段を用いても良いが、ここではクロックに同期したサンプリングによるものが挙げられ、より具体的には、クロック及び逆相クロックに同期した一対のサンプルアンドホールド回路とコンパレータの組み合わせを提唱する。
理論的には、クロックの周波数は高ければ高いほどアナログノイズ波に含まれている微細な変化に対応したパルスがえられるが、アナログノイズ波の周波数の２〜５０倍程度とくに３〜１０倍がより実用的である。
【０００８】
整流されたアナログノイズ波形に沿って、立ち上がり中波形（上昇波形）、変化なし波形（平行波形）、立下り中波形（下降波形）の出力が得られる様にする手段は、どのようなものであっても良い。
【０００９】
切り取られた信号（信号の穴）は、時間軸でいうと、アナログノイズ波が全波整流された結果について云うと、本来ならマイナスにあるべき波形の前と後ろにある。前の信号の穴を第一の信号の穴、後ろの信号の穴を第二の信号の穴と呼ぶ。本来、切り取られた信号（信号の穴）は、１／ｆ雑音（ゆらぎ）に由来するものであるから、この部分をランダムパルスに取り込んではならない。
第一の信号の穴の始まりと終わりのどちらで、一つおきのノイズ波形に相当する出力の反転を始めても良いし、第二の信号の穴の始まりと終わりのどちらで、一つおきのノイズ波形に相当する出力の反転を終了させても良い。
【００１０】
本発明の実施の形態をまとめると、以下のとおりである。
（１）  雑音源のアナログノイズ波を、デジタルに変換するに際して、アナログノイズ波を整流したのち、アナログノイズ波の時間軸に於ける振幅の変化を、立ち上がり中波形、変化なし波形、立下り中波形として捉え、変化なし波形は直前の振幅の変化と同じとみなして、これに基づいて１、０のパルスを発生させ、一つおきのノイズ波形に相当する出力を反転させるランダムパルス発生方法。
（２）  整流を全波整流で行う上記１に記載したランダムパルス発生方法。
（３）  一定レベル以下の雑音源のアナログノイズ波を切捨てて、デジタル化するとき、切り取られた信号（第一の信号の穴）で、一つおきのノイズ波形に相当する出力の反転を始め、次の切り取られた信号（第二の信号の穴）で反転を終了させることにより、デジタル化を行う上記１に記載したランダムパルス発生方法。
（４）  雑音源からの雑音信号を増幅する増幅器、増幅器の出力を整流する整流器、整流器の出力を、クロックに同期したサンプリングにより経時的に比較して、振幅の変化を立ち上がり中波形、変化なし波形、立下り中波形として捉え、変化なし波形は直前の振幅の変化と同じとみなす回路、これに基づいて１、０のパルスを発生させるパルス発生回路、一つおきのノイズ波形に相当する出力を反転させる回路、反転させたパルスを１、０に置き換えてデジタル化する回路を具備するランダムパルス発生器。
（５）  整流器が全波整流器である上記４に記載したランダムパルス発生器。
（６）  全波整流器とクロックに同期したサンプリングにより経時的に比較して、振幅の変化を立ち上がり中波形、変化なし波形、立下り中波形として出力し、変化なし波形は直前の振幅の変化と同じとみなす回路の間に、一定レベル以下の雑音源のアナログノイズ波を切捨てるスレッショルド回路を設け、切り取られた信号（第一の信号の穴）で、一つおきのノイズ波形に相当する出力の反転を始め、次の切り取られた信号（第二の信号の穴）で反転を終了させる回路、信号の穴の時に限りクロックを止め、その直前のデータを保持するスイッチ回路を有する上記５に記載したランダムパルス発生器。
【００１１】
本発明は当業者にとって、種々の実施態様が考えられ、次に示す実施例にのみ拘束されるべきものではないことは言うに及ばない。
（実施例）
図２に本発明の高速ランダムパルス発生装置を示す。
雑音源からの電気信号であるアナログノイズ波を、増幅器で増幅し、全波整流器で全波整流して、極性をプラス側、或いはマイナス側の一方向に揃え、スレッショルド回路で一定レベル以下の不要なノイズを切り取られたアナログノイズ波は、１及び２の対になったサンプルアンドホールド回路Ａ及びＢに入る。
この対のサンプルアンドホールド回路には、スイッチ回路１１を通って、クロックが供給され、しかも、インバータ回路３によって、片側のサンプルアンドホールド回路Ａには、逆相のクロックが入るため、対のサンプルアンドホールド回路Ａ及びＢは、半クロック毎に、交互に、入力されたノイズアナログ波形の信号レベルをホールドし、その出力をコンパレータ４に入れる。
コンパレータ４は、半クロック毎のノイズアナログ波形の信号レベルを監視し、信号レベルが上昇したならＨＩＧＨ、下降したならＬＯＷを出力する。
【００１２】
しかしながら、新しいデータがコンパレータの比較端子に交互に入るため、上昇を続けるノイズアナログ波形があっても、コンパレータ出力は、半クロック毎に、ＨＩＧＨ、ＬＯＷ、ＨＩＧＨ、ＬＯＷ、を出力し続ける。
図３（ａ）にコンパレータ４の出力を示す。
ＸＯＲ回路５は、半クロック毎に、正転、逆転を繰り返しもとの正常な上昇、下降の情報としてデジタル化する。
図３（ｂ）にＸＯＲ回路５の出力を示す。
さらに、ひとつおきのノイズアナログ波形は、全波整流される前は、マイナスの側にあった波形であり、もとは下降波形であったものが反転されて上昇波形になったものであるから、再び反転させる必要がある。
【００１３】
反転時期は、一定レベル以下の不要な雑音を切り取ったために出来た信号のないところ＜信号の穴＞で、反転を行う。
インバータ回路９でデジタル化され、フリップフロップ回路１０に入った信号の穴のパルスは、パルス毎に極性を換え、ＸＯＲ６の出力を反転させる。
ラッチ回路７は、グリッチなどの不要な信号を出力させないために設けられている。
もしも、信号の穴が半クロックよりも長いと、この間に信号の反転が起ってしまうので、望みどおりにならない。この為、スイッチ回路１１は、信号の穴の時に限りクロックを止め、その直前のデータを保持する。
これは、信号の穴を擬似的に消滅させることであり、信号を切り取る前の状態を擬似的に復元していることになる。
図３（ｃ）に最終的に得られる出力を示す。
図４に示すように、本発明の方法では、切り取られた部分のある実線のノイズ波形を、点線の波形として計測しているのと同じになる。
【００１４】
【本発明の効果】
本発明は、雑音源のアナログノイズ波の大きな波形に含まれている複数の小さな波形の振幅の変化に着目して、一つのアナログノイズ波に含まれている複数の小さな波形の振幅に対応する数に相当するパルスを発生させ、もとの雑音源のアナログノイズ波の特性を失うことなく、高速で用いるランダムパルスを得ることができ、さらには、１／ｆ雑音（ゆらぎ）を含まないで、自然乱数の条件である特定ビットにおける１，０の出現率を５０％とすることができるランダムパルス発生方法及び装置を提供することが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の方法と本発明の方法の相違点を説明する説明図。
【図２】  実施例の回路図。
【図３】  回路図の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）におけるパルスの波形図。
【図４】  本発明において計測される波形の模式図
【符号の説明】
１  サンプルアンドホールド回路Ａ
２  サンプルアンドホールド回路Ｂ
３  インバータ回路
４  コンパレータ
５  ＸＯＲ回路
６  ＸＯＲ回路
７  ラッチ回路
８  遅延回路
９  インバータ回路
１０  フリップフロップ回路
１１  スイッチ回路
【図１】
0003650603.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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