基于USB总线的随机信源设计与实现
摘 要：本文详细介绍了一种基于USB总线的随机信源设备的设计与实现。内容包括随机信源噪声的产生与采集、USB控制芯片AN2131SC的特点及其应用以及USB驱动、固件和客户应用软件的编写等。
关键词：USB;AN2131SC;固件;AD9281
引言
密码技术是信息安全的核心技术之一,数据加密的安全性依赖于密钥。密码学意义上好的密钥是指利用随机现象产生随机信号,再通过对其编码而生成的随机序列,它具有等概率、独立、平稳等特性。随机信源产生模拟的电子噪声,利用ADC将其数字化,并最终提供真正随机的数字序列,来产生不同格式的密钥,从而满足各种实际的应用需求。因此随机信源及其研究是信息安全领域不可或缺的部分。本文介绍了一种基于USB接口的随机信源的设计方案和实现。
硬件设计
硬件设计包括：信源噪声产生电路、A/D转换电路和USB硬件模块。图1是该随机信源的原理框图。
信源噪声产生
信源噪声产生原理是利用具有雪崩效应的齐纳二极管产生噪声,然后再将其经宽带放大器进行放大。在具体设计中,最好选用10V左右的齐纳二极管,此时按图2的接法,通过微调可调电阻来改变流过齐纳二极管的电流值,就能从耦合电容得到较平坦的频谱。可以适当调整电流值,以寻找噪声频谱既平坦、噪声电平又尽可能高的最佳点。雪崩噪声的主要成分是散弹噪声,属于高斯白噪声。
由于实际的宽带放大器都不具有理想的滤波特性,这种高斯白噪声通过宽带放大电路后,一般就不再是白噪声了。因此在设计宽带放大器时,需要增加校正网络,使输出的噪声在一定的带宽范围内接近高斯白噪声。
除了考虑足够的信号强度和频带宽度外,还要采取增益控制、阻抗匹配、电源去耦、信号屏蔽等措施,防止电路出现自激振荡,提高随机信源电路的工作稳定性。图3是通过频谱分析仪实测的信源噪声的功率谱密度图,其中3dB噪声带宽约为65MHz;等效噪声带宽约为200MHz。
A/D转换
A/D转换就是将宽带放大器输出的模拟电子噪声转化为数字噪声的过程。在噪声采集电路中,使用了AD9281芯片。该芯片内部结合了两个8bit、28MSPS的ADC,两个输入缓冲放大器,一个内部参考电压,多路复用数字输出缓冲器。采用单电源供电,工作电压范围：2.7V~5.5V,功耗低,温度适用范围宽。
AD9281有四种信号输入方式：单端输入方式、差动输入方式、交流耦合输入方式和变压器耦合输入方式。由于输入信号是宽带放大器经电容耦合进来的,没有直流成分,本方案采用交流耦合输入方式。
