阅读说明：本技术 一种相位噪声非线性放大方法及装置 (phase noise nonlinear amplification method and device ) 是由 张建国 杜海鋆 王云才 李璞 王安帮 刘峰 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明属于集成电路技术领域,具体为一种相位噪声非线性放大方法及装置；具体包括环形振荡器,环形振荡器由M个逻辑器件组成,0节点的逻辑器件执行异或非操作,其余节点的逻辑器件执行异或操作；每个节点逻辑器件的两个输入端分别连接相邻两个节点逻辑器件的输出端；每个节点的逻辑器件两个输入由相邻两个逻辑门提供,经逻辑运算后的输出反馈给相邻两个节点的逻辑器件的输入,环形振荡器中所有节点的逻辑器件均可以输出信号；本发明只需要少量的数字逻辑门就可以将周期振荡中的相位噪声进行非线性放大产生宽带相位噪声信号,易于实现集成化、小型化和低功耗,解决了传统上环形振荡器中相位抖动较小的问题。(The invention belongs to the technical field of integrated circuits, and particularly relates to a phase noise nonlinear amplification method and device, which specifically comprise a ring oscillator, wherein the ring oscillator consists of M logic devices, logic devices of 0 nodes execute exclusive OR operation, logic devices of other nodes execute exclusive OR operation, two input ends of each node logic device are respectively connected with output ends of two adjacent node logic devices, two input ends of each node logic device are provided by two adjacent logics , output after logical operation is fed back to the input ends of the logic devices of the two adjacent nodes, and the logic devices of all the nodes in the ring oscillator can output signals.)

一种相位噪声非线性放大方法及装置

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种相位噪声非线性放大方法及装置。

背景技术

相位噪声是指信号源中，由各种随机噪声所引起的输出信号瞬时频率或相位的起伏，通常是由振荡器本身内各器件所产生的各种随机噪声（如电阻产生的热噪声、半导体器件所产生的散弹噪声和闪烁噪声等）引起的。

相位噪声是衡量频率标准源（高稳晶振、原子频标等）频稳质量的重要指标，对电子设备和电子系统的性能影响很大，如在通信系统中使话路信噪比下降，误码率增加；在雷达系统中影响目标的分辨能力等。所以随着电子技术的发展，对频率源的相位噪声要求越来越严格，在物理、天文、无线电通信、雷达、航空、航天以及精密计量、仪器、仪表等各种领域里都受到重视。

然而，在信息安全和密码学等领域，相位噪声是物理随机性的重要来源。由相位噪声产生的物理随机数具有不可预测性，能够满足安全性较高的应用领域。1999年，Intel公司研制的真随机数发生器就是基于这种方法（Petrie C S , Connelly J A . Modelingand simulation of oscillator-based random number generators[C]// IEEEInternational Symposium on Circuits & Systems. IEEE, 1996.）在目前基于相位噪声的随机数发生器方案中，由振荡器引起的相位噪声的抖动只有数十ps，而较低的抖动意味着产生的随机比特序列分布特性、随机性和实时速率较低。要想获得高吞吐率和充分的随机性就不能单独地依赖振荡器的频率漂移来获得，需要增加后处理或是其它噪声源。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，提供一种相位噪声非线性放大方法及装置。解决基于相位噪声随机数发生器中相位噪声抖动的较小问题，将数十ps的相位噪声经混沌非线性放大为数ns的宽带相位噪声。

本发明是通过如下技术方案实现的。

一种相位噪声非线性放大装置，包括环形振荡器和信号输出线路，所述环形振荡器由M个逻辑器件组成，M=1，2，3……n，其中0节点的逻辑器件执行异或非操作，其余节点执行异或操作；每个节点的两个输入端分别通过信号输出线路连接相邻两个节点的输出端。

优选的，所述的环形振荡器由18个逻辑器件组成，其中0节点的逻辑器件执行异或非操作，其它17个节点的逻辑器件执行异或操作。

优选的，所述的环形振荡器通过调节工作电压输出周期和混沌两个不同状态的信号。

优选的，所述环形振荡器的所有节点作为输出信号。

一种对相位噪声非线性放大的方法，对所述的环形振荡器上电，0节点的异或非逻辑门在环形振荡器中起到触发作用，通过0节点，信号从低电平跳变到高电平，使环形振荡器得以振荡；每个节点的两个输入由相邻两个逻辑门的输出提供；经逻辑运算后的输出反馈给相邻两个节点的逻辑器件的输入，；通过调节电压控制输出周期和混沌两种不同状态的信号，来调节相位噪声。

优选的，在工作高电压时，所述的环形振荡器输出布尔混沌信号。

优选的，在工作低电压时，所述的逻辑器件滤除高频分量，输出为周期振荡信号。

由多个逻辑门组成环形振荡器，各节点之间首尾相连组成闭合网络。与传统环形振荡电路不同的是，该振荡环由二输入的异或门或异或非门组成，其中节点0为异或非门，其他节点为异或门。

每个节点的两个逻辑输入分别由相邻两个节点的输出提供，经逻辑运算后的输出又分别反馈给相邻两个节点的输入。环形振荡器在上电后，无需时钟信号就可以起振。0节点的异或非逻辑门在环形振荡器中起到了触发作用，通过0节点，信号从低电平跳变到高电平，使振荡器得以振荡。

环形振荡器可以在宽幅的电压范围内正常工作，在工作电压较低时，数字逻辑器件中的低通滤波效应滤除了高频分量，输出为周期振荡信号，此时周期信号的相位抖动只有数十ps。在工作电压较高时，环形振荡器可以输出布尔混沌信号，混沌运动的最大特点是就是对初值的敏感依赖性，即混沌系统中初值若有一个微小的变化就会引起运动轨道的巨大变化。周期信号中的相位噪声经混沌系统的非线性放大，输出了宽带相位噪声信号。相位抖动的量级增加到了数十ns，较高的抖动意味着从中可以提取实时速率更高的随机数序列。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。

本发明只需要少量的数字逻辑门就可以将周期振荡中的相位噪声进行非线性放大产生宽带相位噪声信号，易于实现集成化、小型化和低功耗，解决了传统上环形振荡器中相位抖动较小的问题。具体为：

1、本发明能够解决目前随机数发生器中相位噪声抖动较小所导致的问题，在放大噪声时可以破坏原有噪声的随机分布和提取随机序列时速率较低。

2、本发明所述的方法采用数字逻辑门实现，电路结构简单，易于实现集成化和小型化。

3、通过本发明所述的方法可将周期信号中数ps的相位抖动经混沌非线性放大到数十ns，有效提高相位噪声。

4、经过非线性放大后的相位噪声具有宽频谱、高熵值的特性，对保密通信系统、随机数发生器、光雷达、光纤传感等领域具有重要价值。

附图说明

图1为本发明所述的一种相位噪声非线性放大装置结构示意图。

图2为由18个逻辑器件组成的相位噪声非线性放大装置。

图3为周期信号的相位抖动分布。

图4为宽带相位噪声的相位抖动分布。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

如图2所示，是一种基于离散逻辑器件实现相位噪声非线性放大装置电路，该电路以18个节点为例，0节点是异或非门，其他17个节点是异或门。逻辑门型号为SN74AUC1G86和SN74AUC1G04，供电电压为0.7V~2.8V。

其结构原理如附图1所示，每个节点的两个信号输入端分别连接相邻两个节点的输出端，经逻辑运算后的输出又分别反馈给相邻两个节点。也就是说，异或非逻辑门0的两个输入端与异或逻辑门1和17的输出端相连接，异或逻辑门0的两个输出端与异或逻辑门1和17的输入端相连接，其他节点的连接方式如上所述。该电路在0.8V~2.7V电压范围内能正常工作，18个节点均可作为噪声信号放大后的输出端。

异或非逻辑门在电路中起到触发作用，电路上电时，节点1和17的输出为低电平，此时0节点（异或非逻辑门）经逻辑运算输出高电平，环形振荡器开始振荡。

离散逻辑器件的工作电压会影响器件的传播延迟，工作电压越大逻辑器件的传播延迟越小。而逻辑器件的低通滤波效应又与器件延迟参数有关，其低通滤波系数和器件延迟关系为：

。当相位噪声非线性放大电路工作在低电压时，离散逻辑器件的延迟较大，根据上述公式可得，此时离散逻辑器件的低通滤波效应的截止频率较低，滤除了电路中的高频分量，环形振荡器中的节点输出周期信号。当电路工作在高电压时，此时离散逻辑器件的低通滤波效应的截止频率较高，由于各个逻辑门间的传输存在不完全一致的延迟，这使得逻辑门的输出向相邻一个节点过渡的时候，这种传输延迟偏差不断累积，使信号输出呈现混沌变化。混沌系统对初值高度敏感，一个微小的变化就会引起运动轨道的巨大变化，所以环形振荡器中固有的相位抖动经混沌的非线性放大产生了宽带相位噪声信号。

具体的，在电路的工作电压为1.25V时，输出信号为周期信号。此时周期信号的相位噪声抖动分布只有数ps，如图3所示。较小的相位噪声抖动意味着在应用于随机数领域时，没有足够的随机性和较低的随机数速率。

当电路的工作电压为1.8V时，输出信号为混沌信号。此时振荡器固有的周期抖动经混沌非线性放大抖动范围达到数ns，如图4所示，较大的相位噪声抖动意味着可以提取速率更好的随机数。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。