基于USB總線的隨機信源設計與實現

摘    要：本文詳細介紹了一種基于USB總線的隨機信源設備的設計與實現。內容包括隨機信源噪聲的產生與采集、USB控制芯片AN2131SC的特點及其應用以及USB驅動、固件和客戶應用軟件的編寫等。
關鍵詞：USB；AN2131SC；固件；AD9281

引言
密碼技術是信息安全的核心技術之一，數據加密的安全性依賴于密鑰。密碼學意義上好的密鑰是指利用隨機現象產生隨機信號，再通過對其編碼而生成的隨機序列，它具有等概率、獨立、平穩(wěn)等特性。隨機信源產生模擬的電子噪聲，利用ADC將其數字化，并最終提供真正隨機的數字序列，來產生不同格式的密鑰，從而滿足各種實際的應用需求。因此隨機信源及其研究是信息安全領域不可或缺的部分。本文介紹了一種基于USB接口的隨機信源的設計方案和實現。

硬件設計
硬件設計包括：信源噪聲產生電路、A/D轉換電路和USB硬件模塊。圖1是該隨機信源的原理框圖。
信源噪聲產生
信源噪聲產生原理是利用具有雪崩效應的齊納二極管產生噪聲，然后再將其經寬帶放大器進行放大。在具體設計中，最好選用10V左右的齊納二極管，此時按圖2的接法，通過微調可調電阻來改變流過齊納二極管的電流值，就能從耦合電容得到較平坦的頻譜。可以適當調整電流值，以尋找噪聲頻譜既平坦、噪聲電平又盡可能高的最佳點。雪崩噪聲的主要成分是散彈噪聲，屬于高斯白噪聲。
由于實際的寬帶放大器都不具有理想的濾波特性，這種高斯白噪聲通過寬帶放大電路后，一般就不再是白噪聲了。因此在設計寬帶放大器時，需要增加校正網絡，使輸出的噪聲在一定的帶寬范圍內接近高斯白噪聲。
除了考慮足夠的信號強度和頻帶寬度外，還要采取增益控制、阻抗匹配、電源去耦、信號屏蔽等措施，防止電路出現自激振蕩，提高隨機信源電路的工作穩(wěn)定性。圖3是通過頻譜分析儀實測的信源噪聲的功率譜密度圖，其中3dB噪聲帶寬約為65MHz；等效噪聲帶寬約為200MHz。
A/D轉換
A/D轉換就是將寬帶放大器輸出的模擬電子噪聲轉化為數字噪聲的過程。在噪聲采集電路中，使用了AD9281芯片。該芯片內部結合了兩個8bit、28MSPS的ADC，兩個輸入緩沖放大器，一個內部參考電壓，多路復用數字輸出緩沖器。采用單電源供電，工作電壓范圍：2.7V~5.5V，功耗低，溫度適用范圍寬。
AD9281有四種信號輸入方式：單端輸入方式、差動輸入方式、交流耦合輸入方式和變壓器耦合輸入方式。由于輸入信號是寬帶放大器經電容耦合進來的，沒有直流成分，本方案采用交流耦合輸入方式。
AD9281有五種工作模式：1V模式、2V模式、外部設置模式、外部參考電壓模式和參考緩沖模式。本方案采用的是外部設置模式，如圖4所示。使用內部參考電壓，通過外部的電阻分壓來調整參考電壓：VREF=1+(Ra/Rb)，其中Ra和Rb分別是可調電阻兩部分的阻值，這種模式可滿足輸入信號電壓峰-峰值從0.7V到2.5V的變化范圍，避免了直接調整信號幅度所引起的負面影響。
USB硬件
USB接口控制使用的是Cypress公司的AN2131SC芯片。該芯片是一種全速USB控制器，遵循USB協(xié)議1.1版， 44個引腳，使用3.3V電源。
在整個噪聲采集過程中，AN2131SC的主要作用是：利用其USB內核與主機通信并傳輸數據。利用其片上增強型8051作為控制器，使AD9281正常工作。具體工作過程為：AN2131SC上電復位后，芯片按照USB規(guī)范應答，提供設備標識，然后再次枚舉，加載對應驅動程序，并將控制權轉交給8051，8051對AD9281發(fā)采集指令，進行噪聲采集，將所得的噪聲數據存儲到內部FIFO，當一定字節(jié)的數據采集完后，再將它們通過USB總線傳至主機。噪聲采集工作原理可參看圖4。需要說明的是，AN2131SC實際同步傳輸帶寬由8051能在同步端點FIFO內、輸入和輸出的數據速度來決定。AN2131SC 8051的時鐘是24MHz(42ns)，其指令周期需4個時鐘：42 ns