Instruments reconfigurables pour la mesure de capteurs acoustiques

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reconfigurables pour la mesure de capteurs acoustiques J.-M Friedt, T.

Rétornaz Capteurs passifs sans fil Etat des lieux´ Environnement de travail Application à notre besoin Caractéristiques de notre dispositif Caméra CMOS Conclusions

Instruments reconfigurables pour la mesure de capteurs acoustiques

J.-M Friedt, T. R´etornaz

29 avril 2008

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R´etornaz

Capteurs passifs sans fil Etat des lieux´ Environnement de travail Application à notre besoin Caractéristiques de notre dispositif Caméra CMOS Conclusions

Conception d’un capteur de temp´ erature

• Deux résonateurs pour s’affranchir des sources corrélées de bruit (environnement de l’antenne, contraintes)

• Deux résonateurs sur un même substrat, propageant des ondes acoustiques selon des directions différentes pour présenter des coefficients de dérive thermique différents

power detector frequency

tunable source micro

processor

Interrogateur bas´e sur un principe de radar :

1 émission d’une source de fréquence à f

2 attente deτ secondes afin de charger le r´esonateur (τ≥Q/f)

3 couper l’émission et écouter la décharge du résonateur

4 r´ep´eter pourf →f +fstep,f ∈bande ISM

5 après balayage, max de réponse = fréquence de résonance

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R´etornaz

Capteur de temp´ erature sur une roue

Exemple de mesure de temp´erature sur roue en rotation `a 3000 tours/minute

⇒mesure de variations de température avec une précision de 0,2 à 1ôC

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 10⁴ 433.2

433.25 433.3 433.35 433.4

f (MHz)

Rotation, fit 3 measurements, 12.4 ms/10 sweeps

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 10⁴

∆f (MHz)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 10⁴ 0 2 4 6 8 10

time (a.u.)

averages (a.u.)

signal loss (wheel stopped)

• Mesure de température absolue nécessite un calibrage préliminaire

• Dur´ee de l’interrogation<10 ms

• Port´ee'2 m en espace libre, 30 cm dans la terre, quelque cm dans un corps vivant

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R´etornaz

Capteurs enterr´ es

• sans fil et sans batterie⇒compatible avec une observation `a long terme de bˆatiments

• compl´ement au radar de sol Ground Penetrating Radar (GPR) (“cible coop´erative”)

• portée de 30 cm démontée dans le sol humide, devrait pouvoir être augmentée compte tenu des portées des radars de sol

Donn´ees fournies par L. Chommeloux (SENSeOR)

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R´etornaz

Capteurs enterr´ es (2)

Evolution de capteurs enterr´´ es `a 30, 50 cm & 80 cm (filaire), dans la terre humide¹

0 20 40 60 80 100 120

−15

−10

−5 0 5 10 15

∝ T (o C)

time (days since 01/01/2008) σ(30 cm)

relative <30 cm>

σ(60 cm) relative <60 cm>

relative <80 cm>

σ(80 cm)

<temperature Montbéliard>₇

ε_soil '9−20⇒λ_soil/2'8−11 cm

1Temp´erature :http://english.wunderground.com, IVERMOND1

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R´etornaz

Balayage de fr´ equence en mode radar

• source de fréquence programmable (DDS) génère une fréquence d’interrogationf

• commutation switch RF afin d’´emettre pendant une dur´ee τ

• à la coupure de l’émission, écoute de la puissance retournée par le résonateur (décroissance exponentielle de l’énergie enQ/π périodes, i.e.Q/(π×f) s.Q= 8000 àf '434 MHz⇒5.9µs

• répéter pour toutes les fréquences de la bande ISM

⇒1 balayage de bande ISM n´ecessite'10 ms

12 V, 130 mA 13 V, 120 mA 14 V, 120 mA

11 V, 150 mA 10 V, 160 mA 9 V, 180 mA 8 V, 200 mA 7 V, 230 mA

power detector

−1.5 to

−32.5 dB

microcontroler ARM7 core

source 400 MHz

1 Ms/s ADC RS232

SPI

4 attenuator

DDS

analog

Puissance mesur´ee avec un att´enuateur 42 dB en sortie antenne

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R´etornaz

Mode onde continue (CW)

• Emission continue radiofr´´ equence : élimine l’étalement spectral associé au hachage

• Mesure de variation d’imp´edance sous forme de variation de puissance transmise par le coupleur et d´emodulateur I/Q

⇒proche du principe des RFID (couplage magnétique d’antennes) mais sensibilité et dynamique réduite par rapport au radar

Vdc

10 kHz 20 dB low−pass

filter

10 kHz 20 dB low−pass

filter

I/Q demod.

reference oscillator synthetiser

control and acquisition microcontroler

4

PLL VCO

f/8

magnitude phase

GPIO

ethernet

Coldfire 5282

ADC

AD9851

multiplication

AD8302

MAX274

reference phase shift 54.233+/−0.2 MHz

mesurement

30 MHz TTL

tunable radio frequency source

frequency

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R´etornaz

Filaire v.s sans fil

• Problème des oscillateurs : l’impédance du capteur change avec son environnement⇒conditions de Barkhausen difficiles à toujours respecter

• Deux stratégies de mesure de fréquence : direct et réciproque²

• Un compteur direct n´ecessite une porte pr´ecise : cf GPS qui va suivre

• Implémentation d’un compteur réciproque dans un FPGA (3 voies : 1 référence et 2 mesures)

2http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5965-7660E.pdf

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Carte ARMadeus

Con¸cue par une association de passionnés de Linux. Elle convient parfaitement à notre besoin de prototypage rapide, car elle offre des bus d’adresse, de contrôle et de donnée communs entre :

• ARM9 :µcontrôleur cadencé à 200 MHz

• RAM : 16 MB

• FPGA : Xilinx 200 k portes

ARM9 RAM

FPGA

71 mm 39 mm

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GNU/Linux

Syst`eme d’exploitation multi-utilisateurs, multi-tˆaches

Organis´e en deux espaces distincts, permettant un fonctionnement plus robuste

• Espace noyau : tˆaches de bas niveau, non-interruptibles, haute vitesse d’ex´ecution

• Espace utilisateur (userspace) : tˆaches de haut niveau,

interruptibles, autorise le calcul sur nombre flottant (ex. FFT), gestion ais´ee des IHM

Avantages :

• Disponibilit´e des sources en environnement libre

• Gain de temps dans l’´elaboration de projet, par la r´eutilisation du travail d’autrui

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Architecture compl` ete de la plateforme

Cross-Compilation FPGA (firmware)

ssh

RS232 (Zegbee)

LCD

5V f_ref

ARMadeus CAMERA

{fn}

Ordinateur - Linux -

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Cross-Compilation

L’association ARMadeus³distribue⁴ (tarball, svn) un buildroot adapt´e :

• Génère un système d’exploitation complet (GNU/Linux) pour leur carte électronique

• Disponibilité d’un compilateur GCC spécifique à l’ARM9

• Exemple de programme port´e avec succ`es : Mplayer, qt4-embedded

• Possibilité d’émuler le rootfs généré à l’aide deqEmu.

• Une compilation de xenomai réussie (par un membre d’ARMadeus) montre qu’il est possible d’implémenter un système temps réel dur

3irc.rezosup.org#armadeus

4www.armadeus.com/wiki/index.php?title=LinuxInstall

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ISE de Xilinx

Environnement propri´etaire de d´evellopement (≡IDE) pour FPGA

• Edition, simulation, compilation de code VHDL, mais aussi Verilog,´ diagramme

• disponible pour Linux & windows

• consulter absolument avant l’´elaboration d’un projet VHDL : http://www.armadeus.com/wiki/index.php?title=

How to make a VHDL design in Ubuntu/Debian Enregistrement sur leur site pour t´el´echargement :

• http://www.xilinx.com/support/download/index.htm

• e-mail valide n´ecessaire

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Compteur r´ eciproque de fr´ equences

Evaluation des nombres d’oscillations intervenues sur deux entr´´ ees différentes, pendant un même laps de temps d’intégrationτ

Cref

Cinc

fref

f référence Tps intégration

f inconnu Compteur f r´ef´erence Compteur f inconnu

finc

τ

f

inc

= f

ref

. C

_inc

C

_ref

, ∆(f

inc

) = 1 +

^f_f^inc

ref

τ =

finc=fref

2 τ

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Architecture du syst` eme embarqu´ e

Calcul sur nombres flottants

LCD Communication rapide (50 Mo/s)

τ τ

f_inc=f_ref^C_C^inc

ref

Cref

C_inc C_ref C_inc fref

f_inc FPGA

USER SPACE NOYAU LINUX

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Rétornaz Capteurs passifs sans fil Etat des lieux´ Environnement de travail Application à notre besoin Caractéristiques de notre dispositif

Cam´era CMOS Conclusions

Exp´ erimentation

synthétiseur Tektronix AFG3252

FPGA/VHDL compteur compteur HP53131A

oscillateur 433 MHz 1/16

TTL 30 MHz oscillateur

10 MHz 433 MHz

120 MHz

30 MHz

signal Compteur : std_logic_vector (31 downto 0);

process ( Signal, GateTIME, RAZ ) begin

if RAZ = ’1’ then -- Remise @ 0

Compteur <= "00000000000000000000000000000000";

elsif rising_edge ( Signal ) and GateTIME = ’1’ then Compteur <= Compteur + 1;

end if ; end process ;

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Exp´ erimentation 2

Exemple de mesure : comparaison compteur HP et FPGA 0 200 400 600 800100012001400160018002000 4.3394

4.3394 4.3394 4.3394 4.3394 4.3394 4.3394 4.3394

4.3394x 10⁸ Gate time = 500 ms

Temps (4 points/s)

Freq (Hz)

100 Hz

VHDL, ref=120 MHz HP53131A ref ext = 10 MHz

compteur HP53131A

afficheur LCD

ampli + offset

division par 16

caméra OV6620

oscillateur de référence

433 MHz SEAS010

carte ARMadeus FPGA 200 kportes processeur ARM9

oscillateur

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Exp´ erimentation 3

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

4.337 4.3375 4.338 4.3385 4.339 4.3395 4.34x 10⁸

temps (u.a.)

fréquence1 (Hz)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

−300

−280

−260

−240

−220

−200

−180

−160

temps (u.a.)

fréquence2 − 30 MHz (Hz)

160 kHz ~ 65 ^oC

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 10⁵ 434.2

434.25 434.3 434.35 434.4 434.45

t (s)

f (MHz)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 10⁵ 434.48

434.481 434.482 434.483 434.484 434.485 434.486

t (s)

f (MHz)

25 kHz 4 points > 10 kHz

compteur VHDL nettoyé

HP53131A − 500 Hz

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Variance d’Allan

• Dans notre cas : f_inc ≈27 MHz,f_ref = 120 MHz etτ = 1 s

• En th´eorie ∆(finc) =^1+27/120₁ = 1,225 Hz

• La variance d’Allan sur 200 k points `a 1 seconde :

∆(finc) = 27.10⁶×5.10⁻⁸= 1,35 Hz (≈1/2 Hz `a 20 secondes)

10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵

10⁻⁹ 10⁻⁸ 10⁻⁷ 10⁻⁶ 10⁻⁵

τ (s) στ

τ^−1/2

oscillateur TTL 30 MHz, compteur VHDL ref=125 MHz oscillateur capteur de température 434 MHz

compteur HP53131A ref=10 MHz

compteur réciproque VHDL ref=122 MHz mesure=433/16 MHz

τ

mêmes données mais en retirant les points aberrants

bruit de la référence (120 MHz)

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Capture d’images

• Interfa¸cage d’une cam´era CMOS (300 k pixels) avec le FPGA

• Une impulsion nous informe de la disponibilit´e d’une nouvelle valeur de pixel sur le bus de donn´ees (∼

horloge du compteur)

• Commutation de signaux `a haute vitesse (>15 MHz)

• Corrélation d’une grandeur physique, à une image de la scène de la mesure

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Datasheet

Chronogramme des signaux de contrôle envoyés par la caméra :

On utilise PCLK comme source de signal oscillant, afin d’incrémenter un compteur, utilisé pour l’adressage de la valeur des pixels dans une mémoire (RAM) synthétisée dans le FPGA

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Principe de r´ eception d’une image

VSYNC, HREF, PCLK : gestion d’une RAM interne au FPGA

• instantiation de bloc RAM Xilinx : simple `a mettre en œuvre

• RAM double port (16 et 8 bits)

Enclenchement d’une interruption de l’ARM9 par le FPGA lorsque la RAM est pleine

• programmation du module (request irq) pour le noyau Linux

• Lecture rapide de la RAM par l’ARM9 : stockage temporaire dans la m´emoire noyau

La taille de la RAM ne pouvant contenir une image entière, ces étapes sont répétées de nombreuses fois (≈50X)

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Affichage, stockage de l’image

Transfert de l’image contenue dans la m´emoire noyau dans l’espace utilisateur

Transformation des donn´ees brutes, en une matrice de pixels cod´es en (R,G,B), par le filtrage de Bayer

Il est alors possible :

• d’afficher l’image sur le LCD, par l’utilisation d’un mappage m´emoire (frame buffer)

• de stocker l’image sur un support (carte SD) dans le format ppm⁵

5portable pixmap file format

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Evolution du code VHDL : CMOS ´

3/03/08

18/01/08 18/01/08 20/02/08

4/03/08 26/02/08

5/03/08 13/03/08 14/03/08

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Flux des donn´ ees CMOS

R´eception actuel des images :

FPGA Interruptions Sous

ARM9 Stockage temporaire

RAM

CMOS

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Flux des donn´ ees CMOS

Architecture `a mettre en place avec la nouvelle version de la carte ARMadeus :

RAM RAM

FPGA DMA

Stockage temporaire image

Requˆete ARM9

CMOS

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Insertion dans le FPGA

Taux d’occupation du FPGA :

• Compteur seul : 3%

• Cam´era seule : 6%

• Compteur + Cam´era : 10%

Cela indique clairement, que nous n’utilisons qu’une faible proportion du FPGA, et qu’il est possible d’y inclure encore une grande quantit´e de tˆaches

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Sauvegarde des mesures

La carte ARMadeus offre divers moyens de sauvegardes et de communications des mesures :

• Ecran LCD : affichage des fr´´ equences sous forme de graphes

• Liaison ethernet

• Liaison RS232≡liaison sans-fil (Zigbee)

• M´emoire Flash interne : 16 Mo - Taille(P

)≈2 Mo

• M´emoire Flash externe (carte SD) : 1, 2, 8 Go

A titre d’exemple `` a l’aide d’une carte SD d’un Go, il est possible d’enregistrer en continu plus de 3 ans de mesure (de 2 fr´equences inconnues) par seconde.

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Prototypage achev´ e & valid´ e

• Variance d’Allan sur 200 k points, en accord avec les performances pr´edites

• Validation du process VHDL du compteur r´eciproque de fr´equences sur une architecture FPGA (Xilinx)

• Impl´ementation d’une gestion d’un capteur CMOS, et affichage sur LCD

• D´eveloppement d’un prototype qui va servir de plateforme de d´emonstration et d’enregistrement

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Local reference stability issue

Differential measurement : the uncertainty on the local oscillator is seen on the frequencydifference

Ifa differential (two resonator setup) is not feasible

• Assume we want a sensor working in -20 to 120^oC range.

• Assume we wish to comply with 433-ISM regulation (1.5 MHz bandwidth)

• Assume we have a referenced (2 resonance) temperature sensor

⇒750 kHz/140 K=5.4 kHz/Ki.e.12 ppm/K.

Due to fabrication dispersion, we actually use 6 ppm/K

For 0.1 K accuracy, we must provide a long term local oscillator stability better than 0.5 ppm over the whole temperature range.

One conceivable solution (if applicable) : lock local oscillator on GPS.

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GPS reference

Motorola Oncore VP Thales A12

Novatel Superstar2

200 ns on a 1 s 1PPS signal ⇒0.2 ppm relative stability (<0.5 ppm) on the long termsince the GPS signal will not be affected by thermal drift, stress etc ...

(aging and drift monitored and compensated for by the ground segment of GPS)

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Local reference stability issue (2)

• A reference oscillator might display a relative short term (<100 s) stability in the 10⁻⁹−10⁻¹⁰ rangeunder stable environmental condition

• Embedded sensor monitoring⇒the reference oscillator is subject to large temperature variations (TTL oscillator)

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

5 10 15 20

temps (minutes) mesures hobo (oC)

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 10⁴ 0

0.5 1

∆ T (oC) à 30 cm

500 1000 1500 2000 2500 3000

5 10 15 20

TMSP430 (oC) (T/12/4096*1.5)/0.0035−291

<.>₆₀

−50 0 50 100

4.3399 4.3399 4.3399 4.3399 4.34 4.34 4.34

x 10⁸ 20 MHz resonator, multiplied to 400 MHz (PLL) + mixer at 34 MHz

temperature (^oC)

f (Hz)

f[Hz]=0.0432*T3−3.4975*T2−107.35*T+cst

433.988 MHz 2 kHz

Left : 2.5-day measurement (1 measurement/min), interrogation unit outdoor Middle : 4 month measurement (1 measurement/day), interrogation unit indoor Right : reference output (20 MHz) multiplied to 433 MHz output, function of T

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Local reference stability issue (3)

• Tuning a reference signal is performed by varying the capacitor on one of the arms of the quartz resonator

• A frequency counter monitors the oscillator frequency (here the gate time is accurate) and compensates for any drift from the setpoint frequency

• Direct counter⇒extremely simple to add to any microcontroller : use input capture and internal timer to monitor the oscillator

polarisation (Vdc)

2.0147 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148

x 10⁶ 0

0.01 0.02

frequence

|Y|

vide 27 pF 37 pF

2.0147 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148

x 10⁶

−2 0 2

2.0147 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148

x 10⁶

−2 0 2

2.0147 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148

x 10⁶

−2 0 2

2.0147 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148

x 10⁶

−2 0 2

φY

2.014750 MHz ∆ f=70 Hz 2.014820 MHz

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Local reference stability issue (4)

Motorola Oncore VP

1 PPS

HP53131A counter

ref. Cs 10 MHz

PC (recording) 32 kHz

PWM MSP430

4 MHz

freq., PID, T RS232 compteur

RS232 ³⁶⁰⁰

3800 4000 4200 4400 4600 4800

0 20 40 60 80 100 120

frequence % 65536 (Hz)

PWM -> DAC (u.a.)

• Evolution of the frequency as a function of DC tuning voltage (open loop).

• 1 kHz tuning around 4 MHz (250 ppm)

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Local reference stability : time analysis

Open loop : -1 ppm/K around 25^oC, temperature fluctuations are visible on the frequency

Closed loop : temperature fluctuations are visible on the feed- back control

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Local reference stability issue (5)

10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶

10⁻⁹ 10⁻⁸ 10⁻⁷ 10⁻⁶ 10⁻⁵

τ (s) στ

MSP430, open HP53131 open MSP430, closed HP53131, closed

3 s/year

1 day

frequency deviation ∆f relative frequency deviation ∆f/f

• 5×10⁻⁸= 0.05 ppm is consistent with 50 ns relative stability

• Such a stability is enough for our sensing applications

• Global reference forallinterrogation units, even widely spaced apart

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Conclusion

Dans le cadre de l’interrogation de capteurs acoustiques radiofr´equences :

• nous avons acquis la capacité à exploiter une électronique reconfigurable rapide (FPGA) pour la réalisation de circuits

´

electroniques simples (compteurs)

• d´emontr´e les performances sur des mesures de capteurs de

temp´erature et de contrainte (SAW), avec des performances proches des limites th´eoriques

• identifié une cause possible de dégradation de la qualité de la mesure en l’instabilité de l’oscillateur de référence

• proposé une solution à ces fluctuations de l’oscillateur de référence – compatible avec les contraintes de coût et en accord avec la consommation électrique de solutions concurrentes – avec l’asservissement sur le GPS.

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Perspectives

• implémenter l’asservissement sur le GPSdansle FPGA sur un oscillateur à plus haute fréquence

• améliorer les performances du compteur en incluant les traitements numériques du signal proposés dans la littérature

http://www.femto-st.fr http://www.senseor.com

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