应用于UHF RFID标签的低功耗真随机数发生器

设计了一种基于振荡采样法的真随机数发生器。针对UHF RFID标签芯片功耗低、面积小的特点,利用简单有效的电路结构增强发生器的随机性。采用频率受控的被采样数据振荡器与采样时钟异或后形成初步随机数,并增加异或链输出负反馈结构,有效提高了输出序列中"0""1"分布的均匀性,降低了序列的自相关性。标签采用SMIC 0.18μm RF CMOS工艺设计并流片,采样时钟为2MHz,总工作电流少于2

第l 5卷第 4期 2 1年 8月 00 文章编号: 10 -29(0 0 0—100 0 704 2 1) 40 2 .5

电路与系统学报 J爪 NAL RCUI OI OF CI TSAND YS M S S TE

Vo .5 No4 1 1 . Aug t 2 0 us, 01

应用于 U FR I标签的低功耗真随机数发生器 H FD 李蕾,毛陆虹,黄晓综, 3 .南开大学微电子学研究所,天津 3 0 5 ) 04 7

陈力颖

( .天津大学电子信息工程学院,天津 3 0 7;2 1 0 0 2 .辽宁工程技术大学电子与信息工程学院,辽宁葫芦岛 1 5 0 2 15

摘要 t设计了一种基于振荡采样法的真随机数发生器。针对 UH F D标签芯片功耗低、面积小的特点,利用简 FR I 单有效的电路结构增强发生器的随机性。采用频率受控的被采样数据振荡器与采样时钟异或后形成初步随机数,并增加异或链输出负反馈结构,有效提高了输出序列中…“”分布的均匀性,降低了序列的自相关性。标签采用 S C 0 1 MI 01 g MO .8 m RFC S工艺设计并流片,采样时钟为 2 z MH,总工作电流少于 2 A。 g 关键词 tR I F D标签;真随机数发生器;异或链;相关系数

中图分类号;T 9 N4 2

文献标识码 t A

1

引言 近年来伴随着成本下降和标准统一,R I在安全管理、供应链管理、医疗以及国防等诸多领域 FD

得到广泛应用。如果缺乏可靠的信息安全机制,R I F D系统就无法有效地保护射频标签中的数据信息, 会造成 RFD系统中的个人信息、商业机密被窃取的严重后果,带来巨大损失。因此 R I的安全性 I FD成为制约其发展的重要因素之一。逻辑加密型的 R I标签应用极其广泛,并且部分具有小额消费功 FD

能,它的安全设计极其重要【。该类电子标签通常采用随机数+钥验证的安全设计方法,例如 Mi r l J密 fe a 的 RFD芯片。该方法虽然具有较高的安全性但是只要掌握随机数的产生原理仍旧能够被破解。这主 I要由于该类随机数由伪随机数发生器产生,而伪随机数发生器是基于数学算法的随机数发生器,由真

随机种子和伪随机网络构成。一旦真随机种子被暴露,伪随机数发生器的结果即被确定。相比之下,

真随机数发生器依托于自然界物理现象的随机特性,随机数来源于真实的随机物理过程,即使算法等重要信息被暴露,也无法猜测其结果,理论上高质量的真随机数发生器产生的随机数永远不具备周期性。因此,RFD标签芯片采用真随机数发生器能够有效地提高 R I芯片的安全性从而更好的保护信 I FD 息传送。

已发表的成果中,真随机数发生器多应用在有源通信设备的密码系统中,电路结构采用多级异或链、伪随机网络及减相关性操作模块等手段提高随机性【。该种结构的随机数发生器虽具有很好的 2]随机性能,但电路结构复杂,功耗多达到 mW量级,并且芯片面积较大,显然不适合集成在 R I标 FD

签芯片中。针对该问题,本文采用结构简单的振荡器采样法,利用独立振荡器中的相位噪声产生随机 数,并对电路结构进行了改进。首先,采用频率受输出控制的振荡器,产生被采样数据,与采样时钟

异或后形成初步随机数;其次,采用异或链负反馈结构对初步随机数做去相关性处理,保证输出序列中的“”和“”均匀分布。以上方法能够有效提高输出数据的随机性,同时结构简单不增加过多功 1 0耗。真随机数发生器中使用的采样时钟为标签芯片中的系统时钟,被采样数据由带有可变电阻的环形振荡器提供,且其输出频率可调。

2真随机数发生器的实现方案 21直接放大法 .

直接放大法对电阻热噪声进行放大、比较后得出随机数。它可以得到性能十分理想的随机数,但 收稿日期 t2 1-33修订日期:2 1 -5 1 000—0 0 00 - 1 基金项目;8 3计划重大项目 ( 0 8 6 20 AA0A12 4 0)

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