基于混沌半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方案優(yōu)化.pdf

1、隨機(jī)數(shù)已廣泛應(yīng)用于保密通信、蒙特卡羅模擬、數(shù)值仿真等多個(gè)領(lǐng)域。在雷達(dá)測(cè)試、遙控遙測(cè)、數(shù)字通信、碼分多址系統(tǒng)以及密碼學(xué)等重要科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域隨機(jī)數(shù)也起到了重要的作用。它可作為測(cè)距信號(hào)應(yīng)用于雷達(dá)中，作為測(cè)控信號(hào)應(yīng)用于遙控遙測(cè)中，作為同步和加密解密信號(hào)應(yīng)用于數(shù)字通信中，作為擴(kuò)頻或地址碼應(yīng)用于碼分多址中以及作為密鑰應(yīng)用于密碼學(xué)中。此外在網(wǎng)絡(luò)中，許多數(shù)字簽名或密碼協(xié)議也都要求使用隨機(jī)數(shù)。隨著近年來(lái)的發(fā)展，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器被應(yīng)用到越來(lái)越廣泛的領(lǐng)域中，對(duì)隨機(jī)

2、數(shù)的碼率和隨機(jī)性的要求也越來(lái)越高，而目前隨機(jī)數(shù)產(chǎn)品的碼率很低，嚴(yán)重阻礙了隨機(jī)數(shù)的應(yīng)用。可見(jiàn)，高速率、高質(zhì)量隨機(jī)數(shù)的研究對(duì)于國(guó)家科技發(fā)展和信息安全戰(zhàn)略具有至關(guān)重要的意義。
　　 而半導(dǎo)體激光在光反饋或者光注入的情況下能夠產(chǎn)生帶寬為幾個(gè)GHz到幾十個(gè)GHz的幅值隨機(jī)的混沌激光信號(hào)，并且其具備幅值大，頻譜類(lèi)噪聲等特性，可以作為快速隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的熵源。因此基于混沌激光產(chǎn)生高速的物理隨機(jī)數(shù)已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。眾所周知，激光器在光反饋的情

3、況下產(chǎn)生的混沌激光輸出對(duì)初始條件極其敏感，任何初始條件，比如注入電流，反饋強(qiáng)度，外腔長(zhǎng)度等初值稍有變化，混沌的輸出就會(huì)發(fā)生巨大的變化，產(chǎn)生幅值的波動(dòng)，這對(duì)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來(lái)說(shuō)是非常不利的，會(huì)影響生成的隨機(jī)序列的隨機(jī)性。另外，光反饋、光電反饋以及光注入產(chǎn)生的混沌信號(hào)都帶有一定的周期性，使得產(chǎn)生的隨機(jī)序列也帶有相應(yīng)的周期性。因此，在基于混沌激光產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的系統(tǒng)中，穩(wěn)定性已經(jīng)成為隨機(jī)數(shù)產(chǎn)品化的一個(gè)阻礙；而如何消除混沌激光的周期性已成為一個(gè)科學(xué)的命

4、題。
　　 本文是以帶有外腔反饋的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的混沌激光作為物理熵源，以模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的狀態(tài)特性，對(duì)于混沌激光器對(duì)初值敏感這一條件提出相應(yīng)的解決方案，基于模擬信號(hào)差分方法，提出了魯棒的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的方案；基于數(shù)字信號(hào)的處理，提出了循環(huán)異或處理方法，消除了由于混沌半導(dǎo)體激光器的外腔引入到隨機(jī)序列中的周期性。具體工作如下：
　　 1.在課題組現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，分析了半導(dǎo)體激光器的在不同外界條件

5、下的動(dòng)態(tài)特性變化趨勢(shì)，比如信號(hào)的頻譜隨注入電流的變化，信號(hào)的頻譜隨反饋強(qiáng)度的變化，確定了用來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的混沌激光的最佳條件，結(jié)果表明：在狀態(tài)允許的條件下，注入電流和反饋強(qiáng)度越大所產(chǎn)生的混沌信號(hào)頻譜越平坦，相應(yīng)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)的更加容易通過(guò)隨機(jī)數(shù)統(tǒng)計(jì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。
　　 2.確定了混沌激光時(shí)序時(shí)間相關(guān)性，在相關(guān)時(shí)間之外，利用模擬信號(hào)差分的方法，消除了混沌時(shí)序的波動(dòng)對(duì)隨機(jī)序列的影響，也就是說(shuō)此方法可以抵抗各種外界條件對(duì)混沌時(shí)序的干擾，進(jìn)而提