專利名稱：頻率選擇信道均衡和解碼裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)頻率選擇信道進(jìn)行信道均衡和解碼的裝置。
在數(shù)字傳輸中，已提出的解決方案大都使用信道均衡及編碼處理。傳統(tǒng)方法中，基本的信道均衡和編碼功能，只使用了所處理的部分信息分別地處理。因而，這種接收機(jī)的總體性能仍是不理想的。
本發(fā)明的目的是改進(jìn)這種缺陷。
近年來，有些作者在turbo碼[1]技術(shù)的推動(dòng)下，提出了一些解決方案，這些解決方案基于最大似然檢波器(maximum likelihood detector)、干擾對(duì)消接收器(interference canceller)及信道編碼來消除信號(hào)間的干擾。我們簡(jiǎn)要回顧一下這些解決方案中最重要的貢獻(xiàn)。
1995年，一種稱作turbo-檢波器[2]的接收機(jī)，它使用迭代方法，將基于最大后驗(yàn)似然算法的檢波器和信道解碼器相結(jié)合。在多通道情況下，所得到的性能達(dá)到近似最優(yōu)化。然而，這種turbo-檢波器受限于小數(shù)量狀態(tài)調(diào)制和具有短脈沖響應(yīng)的信道。
1997年，出現(xiàn)了另一種turbo-均衡器接收機(jī)(turbo-equalizerreceiver)[3]，其目的是減少turbo-檢波器的復(fù)雜性。同時(shí)，對(duì)符號(hào)周期廣泛分布、具有大數(shù)量狀態(tài)調(diào)制的信道提供近似最優(yōu)化均衡。
本發(fā)明的目的是改進(jìn)上述兩種接收機(jī)的性能。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，按照本發(fā)明的裝置是一種信道均衡和解碼裝置，該裝置包含一組排列的模塊，每一個(gè)模塊都包含均衡器和帶有加權(quán)輸出的解碼器，排列的模塊數(shù)大于一個(gè)。每一個(gè)模塊，一方面接收從傳感器發(fā)出的經(jīng)過延時(shí)的一串樣本信號(hào)，該延時(shí)在數(shù)值上等于前一個(gè)模塊的處理時(shí)間，另一方面，也可接收前一個(gè)模塊的輸出。本發(fā)明的特征在于，所述的每個(gè)模塊包含接收不同樣本的至少兩個(gè)樣本串的裝置和均衡器，該均衡器能夠利用已接收到的至少兩個(gè)樣本串，作為將對(duì)其進(jìn)行判定的兩個(gè)未經(jīng)均衡的不同表達(dá)，從而對(duì)一個(gè)經(jīng)過均衡的樣本串和其本身進(jìn)行判定。
本發(fā)明使用由一個(gè)帶有若干傳感器(多信道接收機(jī))的天線提供的空間和/或時(shí)間的分集。這些傳感器典型地分別發(fā)出兩串樣本信號(hào)，從而形成兩個(gè)不同的表達(dá)。本發(fā)明與參考文獻(xiàn)[4-8]的不同在于其對(duì)接收到信息的多信道處理和/或?qū)τ谟休^大時(shí)間散布的傳輸?shù)拇髷?shù)量狀態(tài)調(diào)制的可能性。
以這樣方式，利用接收信息的空間和/或時(shí)間的分集就可以顯著地改善所得到的結(jié)果。
使用前一個(gè)處理過程所提供的信息，使接收到的數(shù)據(jù)的一個(gè)與同一個(gè)數(shù)據(jù)塊重復(fù)解碼，即可使多信道信號(hào)得到均衡。
閱讀如下的詳細(xì)說明，并參考如下圖，本發(fā)明的其它特點(diǎn)、目的、優(yōu)點(diǎn)將變得很清楚，其中

圖1a表示一個(gè)比特交織處理器(bit-interleaver)類型的傳輸鏈；圖1b表示一個(gè)符號(hào)交織處理器(symbol-interleaver)類型的傳輸鏈。
圖2表示作為本發(fā)明一個(gè)可能的實(shí)施例的具有迭代結(jié)構(gòu)的多信道均衡和信道解碼裝置；圖3表示按照本發(fā)明的接收機(jī)模塊的一種可能的結(jié)構(gòu)；圖4a表示作為本發(fā)明一個(gè)可能的實(shí)施例，一種帶有M進(jìn)制加權(quán)輸出和輸入的信道解碼器的可能的分解結(jié)構(gòu)，特別涉及在使用比特交織處理器(bit-interleaver)的情況下，帶有多態(tài)調(diào)制的傳輸；圖4b表示作為本發(fā)明一個(gè)可能的實(shí)施例，一種帶有M進(jìn)制加權(quán)輸出和輸入的信道解碼器的可能的分解結(jié)構(gòu)，特別涉及在使用符號(hào)交織處理器(symbol-interleaver)的情況下，帶有多態(tài)調(diào)制的傳輸；圖5圖示了按照本發(fā)明的多信道均衡器的一個(gè)實(shí)施例；圖6圖示了按照本發(fā)明的另一個(gè)可能的多信道均衡器的實(shí)施例；圖7的圖表給出了信道解碼后二進(jìn)制差錯(cuò)率(binary error rate)(對(duì)Eb/N0比的函數(shù)，及對(duì)應(yīng)于圖2、3和5中所示類型的設(shè)備對(duì)多信道通路進(jìn)行PM2調(diào)制時(shí)的性能；圖8的圖表給出了信道解碼后二進(jìn)制差錯(cuò)率對(duì)Eb/N0比的函數(shù)，及對(duì)應(yīng)于圖2、3和6中所示類型的設(shè)備對(duì)多信道通路進(jìn)行PM2調(diào)制時(shí)的性能。
圖1a和1b各是一種數(shù)據(jù)傳輸鏈的原理。相互獨(dú)立的二進(jìn)制數(shù)據(jù)αk均勻地分布于集合{0；1}，該數(shù)據(jù)以Tb秒一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的速度提供給信道編碼器1。信道編碼器1輸出的數(shù)據(jù)變換為集合{-1；1}，表示為Ck。
通過交織處理器(標(biāo)號(hào)2)及二進(jìn)制—符號(hào)轉(zhuǎn)換器(BSC)(標(biāo)號(hào)3)的每一個(gè)2m編碼數(shù)據(jù)Ck集合生成一組方差σ2d復(fù)雜的符號(hào)dn＝an+jbn。符號(hào)an和bn代入它們?cè)诜?hào)表{±1....±(2p+1)，....±(M-1)}中的值，這里M＝2m。這個(gè)過程具有通用性，可以是網(wǎng)格編碼調(diào)制、微分編碼或其它任意對(duì)二進(jìn)制元素完成信號(hào)調(diào)制的技術(shù)。圖1a和1b兩圖中描述的傳輸鏈的不同在于交織處理器2的位置。交織處理器2可分別放置于(標(biāo)號(hào)3)BSC的上游(比特交織處理器)或下游(符號(hào)交織處理器)。表示為dn的調(diào)制符號(hào)，隨后輸入給兩個(gè)正交載波調(diào)制器。
由調(diào)制器、傳輸介質(zhì)、解調(diào)器、以及傳輸和接收濾波器組成的集合被模擬為多信道等效離散通路4(multi-channel equivalent discretepathway)。這里，每一個(gè)信道i，i＝1...，N，都受到方差為σi2的高斯附加噪音Wi，n的集中干擾。每個(gè)信道的輸出等于ri,n=Σl=0Lihi,ldn-1+wi,n---(1)]]>這里hi，l是對(duì)應(yīng)于信道i的通路系數(shù)，這樣與該信道相關(guān)的傳遞函數(shù)可寫為Hi(z)=Σl=0Ljhi,lz-1---(2)]]>假設(shè)各個(gè)信道通路的系數(shù)是以下列方式初始化，表示為5的接收機(jī)端接收的信號(hào)為單位功率，Σi=lNρi=lwithρi=Σl=0li|hi.l|2---(3)]]>考慮到噪音wi，n是不相關(guān)的，接收機(jī)端的噪音方差為σnoise2=Σi=lNσi2---(4)]]>turbo-均衡器輸入端的信噪比(SNR)等于
SNR=σd2σnoise2=REbN0log2(M)---(5)]]>這里Eb是傳輸?shù)拿總€(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)被接收到的平均能量，N0是接收機(jī)5輸入端噪音的譜功率密度，R是信道編碼器1的速度。
過程是這樣的，信息塊的基本處理被歸送到一個(gè)模塊，如圖3所示，每個(gè)模塊p(p＝1，...，P)包含一個(gè)多信道均衡器10(精確地講，均衡器能夠同時(shí)并行地拾取多個(gè)傳感器的信號(hào))，和一個(gè)集成了交織處理器和解交織處理器(interleaving and deinterleaving)功能的信道解碼器20。排列的模塊應(yīng)多于1個(gè)，其中的多信道均衡器10必須能夠處理由下一級(jí)模塊中的信道解碼器提供的估算數(shù)據(jù)。
在多態(tài)調(diào)制情況下，信道解碼器20可分為五個(gè)不同的單元(圖4a和4b)，即符號(hào)—二進(jìn)制轉(zhuǎn)換器(SBC)22，解交織處理器(deinterleaver)23，有二進(jìn)制加權(quán)輸入和輸出的信道解碼器24，交織處理器(interleaver)25及二進(jìn)制—符號(hào)轉(zhuǎn)換器(BSC)26。交織處理器放置于SBC 22的上游或下游(及位于BSC 26的相反位置)，與傳輸圖所示一致。
下面我們展示兩個(gè)實(shí)施例。一個(gè)稱做多信道turbo均衡器(MCTE)，由簡(jiǎn)單數(shù)字濾波器組成。另一個(gè)稱作多信道turbo檢波器(MCTD)，由數(shù)字濾波器與有多端輸入的最大后驗(yàn)似然檢波器(maximum a posteriorilikelihood detector)結(jié)合組成。
依據(jù)第一個(gè)實(shí)施例(MCTE)的多信道均衡器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，包含有一個(gè)濾波器組11，其濾波器數(shù)目同接收信道數(shù)目一致。加法器12將從濾波器組11的輸出集合累加。再?gòu)倪@個(gè)信號(hào)中減去來自濾波器Q(表示為13)的輸出。濾波器Q或者接收經(jīng)迭代處理的確定數(shù)據(jù)，或者接收由前一個(gè)模塊提供的估算數(shù)據(jù)。
在模塊組的第一級(jí)模塊中，橫向?yàn)V波器Q的輸入要么由同一模塊的均衡器的輸出饋送，要么由同一模塊的均衡器輸出的確定數(shù)據(jù)饋送。橫向?yàn)V波器Q的輸入由上一級(jí)模塊的輸出饋送，這優(yōu)于由同一模塊的均衡器的輸出饋送，也優(yōu)于由同一模塊的均衡器輸出的確定數(shù)據(jù)饋送。
最后的濾波器13提供了對(duì)部分或全部的體現(xiàn)于加法器12的輸出的交互符號(hào)干擾的方法的改進(jìn)，這些方法與法國(guó)專利FR 2 763 454所教導(dǎo)的方法相似。
為了說明該裝置，我們考慮一種采用PM2調(diào)制，并將信道數(shù)確定為N＝2的情況。對(duì)每一個(gè)信道，傳輸通路的信號(hào)和噪音的強(qiáng)度是相同的。對(duì)第一個(gè)模塊(p＝1)，除了通過濾波器Q以外，通過有傳遞函數(shù)Pi(Z)的兩個(gè)橫向?yàn)V波器及一個(gè)加法器，可以使線性均衡器在均方差意義上最優(yōu)。
Pi(z)=Hi*(1/z*)σd2(H1(z)H1*(1/z*)+H2(z)Hz*(1/z*))σd2+σnoise2i=1,2;p=1---(6)]]>H1＝h1，1；h1，2；...h1，L1and H2＝h2，1；h2，2；...；h2，L2這些濾波器通常以橫向的方式表達(dá)，將橫向?yàn)V波器迭加或遞歸也是較好的表達(dá)方式，用一個(gè)簡(jiǎn)單的匹配濾波器或者非線性反饋判定均衡器也是可能的。
多信道均衡器10的輸出饋送給有加權(quán)輸入和輸出的信道解碼器20的輸入。信道解碼器20的輸出提供估算數(shù)據(jù)給下一個(gè)模塊使用，饋送給表示為13的濾波器Q(z)。這樣迭代進(jìn)程啟動(dòng)并繼續(xù)下去，當(dāng)?shù)螖?shù)足夠多，且MCTE運(yùn)行正確，則濾波器傳遞函數(shù)Pi(z)和Q(z)接近或等于Pi(z)=Hi*(1/z*)i=1,2;p>1---(7)]]>這些濾波器的參數(shù)數(shù)目是有限的。
這些濾波器是由Qi(z)=HiHi*(1/z*)+H2(z)H2*(1/z*)-1p>1---(8)]]>以橫向方式表達(dá)的。
在實(shí)踐中確定均衡器的濾波器P1，P2和Q的系數(shù)的方式，和獲得信道解碼器20加權(quán)輸出的方式可參見前述法國(guó)專利FR 2 763 454。
為了舉例說明MCTE的運(yùn)行樣式，我們考慮兩個(gè)較高的頻率選擇信道，其非正態(tài)分布脈沖響應(yīng)等于H1＝
H2＝
假設(shè)H1和H2的系數(shù)已知，濾波器的系數(shù)從關(guān)系式(6)、(7)和(8)中計(jì)算出。作為模擬，將圖1b所描述的傳輸鏈同對(duì)大于1兆的二進(jìn)制元素傳輸做256×256大小的交織一起考慮。用帶八進(jìn)制多項(xiàng)式的碼率為1/2的卷積碼編碼器(23，35)進(jìn)行信道編碼。
MCTE的性能如圖7所示。虛線表示的是在非頻率選擇高斯信道上編碼所表現(xiàn)的性能。實(shí)線為在不同迭代下的MCTE輸出所表現(xiàn)的性能。
這些結(jié)果表明，當(dāng)信噪比只有幾個(gè)dB時(shí)，MCTE在消除交互符號(hào)干擾方面非常有效，并可與非頻率選擇高斯信道的性能媲美。
第二個(gè)實(shí)例，描述的是基于應(yīng)用多通道檢波器的接收機(jī)。
MCTE的多信道檢波器的結(jié)構(gòu)如圖6所示，包含一個(gè)濾波器組14，濾波器的數(shù)目與接收信道的數(shù)目一致。從濾波器組14的輸出及前一級(jí)模塊的估算數(shù)據(jù)饋送給基于最大后驗(yàn)似然性(maximum a posteriorilikelihood)技術(shù)的多信道MAP檢波器15(有加權(quán)輸出的檢波器)作為輸入。
檢波器15的加權(quán)輸出從似然比對(duì)數(shù)計(jì)算中推導(dǎo)出。固有值可通過從檢波器15的輸出中減去前一級(jí)模塊的估算值，經(jīng)一個(gè)系數(shù)加權(quán)得到。
應(yīng)指出的是，對(duì)第一級(jí)模塊而言，上一級(jí)模塊的估算數(shù)據(jù)是未知的。可把這些數(shù)據(jù)當(dāng)作為零，它們的可靠性認(rèn)為是零。
為了說明該裝置，我們考慮一個(gè)采用PM2調(diào)制，并將信道數(shù)確定為N＝2的情況。對(duì)每一個(gè)信道，傳輸通路的信號(hào)和噪音的強(qiáng)度是相同的。我們同樣假定檢波器15前的濾波器14只有一個(gè)系數(shù)，其值為1。這樣，對(duì)最可能順序的檢波，即是對(duì)所有可能的順序j的尺度(metric)(9)的最小化minjMn(j)=Σk=0n|γl,k-Σl=0Lih1,ldk-l(j)|2+|γ2k-Σl=0Lih1,ldk-l(j)|2+γ|d~k-dk(j)|2---(9)]]>這里γ是一個(gè)正系數(shù)，dk是從前一級(jí)模塊的信道解碼器輸出中得到的估算數(shù)據(jù)項(xiàng)，根據(jù)法國(guó)專利FR 2 730 370提出的過程這很容易計(jì)算出來。
檢波器15的輸出提供了似然比對(duì)數(shù)，如法國(guó)專利FR 2 730 370所述，從其中減去估算數(shù)據(jù)項(xiàng)dk乘以系數(shù)γ。所得到的非固有值饋送給有加權(quán)輸入和輸出的信道解碼器20作為輸入。信道解碼器20的輸出提供估算數(shù)據(jù)給后一個(gè)模塊使用，從而改進(jìn)其檢波器15的性能。應(yīng)注意的是，在第一次迭代中(p＝1)，估計(jì)數(shù)據(jù)未知，認(rèn)為其為零。
濾波器H1(z)和H2(z)的參數(shù)在實(shí)踐中的確定方式，檢波器和信道解碼器的加權(quán)輸出的獲得方式也眾所周知。請(qǐng)?zhí)貏e參見FR 2 730 370。
為了說明MCTD的運(yùn)行方式，我們考慮了上述的H1和H2兩個(gè)信道。
假設(shè)H1和H2參數(shù)對(duì)接收機(jī)已知。作為模擬，將圖1b所描述的傳輸鏈同對(duì)大于1兆的二進(jìn)制元素傳輸做256×256大小的交織一起考慮。用帶八進(jìn)制多項(xiàng)式的碼率為1/2的卷積碼編碼器(23，35)進(jìn)行信道編碼。
MCTD的性能如圖8所示。虛線表示的是在非頻率選擇高斯信道上編碼所表現(xiàn)的性能。實(shí)線為在不同迭代下的MCTD輸出所表現(xiàn)的性能。
這些結(jié)果表明，當(dāng)信噪比很低時(shí)，MCTD在消除交互符號(hào)干擾方面非常有效，并可與非頻率選擇高斯信道的性能媲美。
上述設(shè)備應(yīng)用于任何多信道接收機(jī)都更有優(yōu)越性。這種多信道接收機(jī)可用于使用頻率選擇信道處理(卷積的或阻滯的)信道編碼或交織的數(shù)字通信系統(tǒng)。
我們提出了兩種不同的結(jié)構(gòu)。對(duì)于長(zhǎng)脈沖響應(yīng)的大數(shù)量狀態(tài)調(diào)制傳輸?shù)膫鬏斖肪?，第一種結(jié)構(gòu)(MCTE)適用。針對(duì)伴有少量時(shí)相散布的傳輸通路，對(duì)于小數(shù)量狀態(tài)調(diào)制，第二種結(jié)構(gòu)(MCTD)更合適本發(fā)明可應(yīng)用于使用線性調(diào)制，諸如相位調(diào)制(PM)、對(duì)正交載波的幅度調(diào)制(QAM)、伴有微分編碼的調(diào)制、網(wǎng)格碼調(diào)制(TCM)的任何傳輸系統(tǒng)；及使用可分解為多個(gè)線性調(diào)制總和(GMSK，CPM...)的非線性調(diào)制的任何傳輸系統(tǒng)。
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權(quán)利要求
1.一種信道均衡和解碼裝置，該裝置包含一組排列的模塊，每一個(gè)模塊都包含均衡器(10)和有加權(quán)輸出的解碼器(20)，排列的模塊數(shù)目大于一個(gè)，每一個(gè)模塊，一方面接收從傳感器發(fā)出的經(jīng)過延時(shí)的一串樣本信號(hào)，所述延時(shí)在數(shù)值上等于前一個(gè)模塊的處理時(shí)間，另一方面，也可接收所述前一個(gè)模塊的輸出，其特征在于，所述的每個(gè)模塊包含接收不同樣本的至少兩個(gè)樣本串的裝置和均衡器，所述均衡器能夠利用已接收到的至少兩個(gè)樣本串，作為將對(duì)其進(jìn)行判定的兩個(gè)未經(jīng)均衡的不同表達(dá)，從而對(duì)一個(gè)經(jīng)過均衡的樣本串和其本身進(jìn)行判定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于每一個(gè)模塊的均衡器(10)包含分別對(duì)至少兩個(gè)接收到的樣本串執(zhí)行兩個(gè)不同的均衡處理的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于每一個(gè)模塊的均衡器(10)包含濾波器組(11)，所述濾波器組(11)由至少兩個(gè)橫向?yàn)V波器組成，所述橫向?yàn)V波器由接收的所述至少兩個(gè)樣本串分別提供輸入，位于濾波器組(11)下游的加法器(12)，把前一模塊的輸出作為輸入的另一橫向?yàn)V波器(13)，以及減法裝置，該裝置從取自加法器(12)下游的樣本串中減去由這另一橫向?yàn)V波器(13)提供的樣本串。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述另一個(gè)橫向?yàn)V波器(13)被設(shè)計(jì)為提供樣本串，所述樣本串至少部分地體現(xiàn)在加法器輸出端的干擾。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的裝置，其特征在于，所述模塊組1包含向所述另一個(gè)橫向?yàn)V波器(13)提供數(shù)據(jù)輸入的裝置，所述數(shù)據(jù)在這同一個(gè)模塊的均衡器(10)的輸出端流出或判定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述一組排列的模塊中的每一個(gè)模塊包含均衡器，所述均衡器包括帶有加權(quán)輸入和輸出的檢波器(15)，濾波器組(14)，所述濾波器組(14)被放置在合適的位置以使其每一個(gè)濾波器從上述至少兩個(gè)接收到的樣本串中接收樣本串，所述檢波器(15)一方面接收來自該濾波器組(14)的輸出，另一方面接收來自前一個(gè)模塊的至少一個(gè)輸出，就這組排列的模塊而言，其數(shù)目應(yīng)大于1。
7.根據(jù)前述的任意一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于解碼器(20)是帶有M進(jìn)制加權(quán)輸入輸出的信道解碼器，其包含的五項(xiàng)功能分別是符號(hào)—二進(jìn)制轉(zhuǎn)換SBC功能(22)，解交織處理功能(23)，帶有二進(jìn)制加權(quán)輸入輸出的解碼功能(24)，交織處理功能(25)和二進(jìn)制—符號(hào)轉(zhuǎn)換器BSC(26)。
8.根據(jù)前述的任意一個(gè)權(quán)利要求結(jié)合權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于每一個(gè)模塊包含位于SBC(22)與解碼器(24)之間的解交織處理器(23)，和位于解碼器(24)與BSC(26)之間的交織處理器(25)。
9.根據(jù)前述的任意一個(gè)權(quán)利要求結(jié)合權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于每一個(gè)模塊包含位于SBC(22)上游的解交織處理器(23)，和位于BSC(26)下游的交織處理器(25)。
10.根據(jù)前述的任意一個(gè)權(quán)利要求結(jié)合權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于SBC(22)結(jié)合了網(wǎng)格碼調(diào)制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種信道均衡和解碼裝置，該裝置包含一組排列的模塊，每一個(gè)模塊都包含一個(gè)均衡器(10)和一個(gè)帶有加權(quán)輸出的解碼器(20)，排列的模塊數(shù)大于一個(gè)，每一個(gè)模塊接收(i)從傳感器發(fā)出的經(jīng)過延時(shí)的一串樣本信號(hào)，該延時(shí)在數(shù)值上等于前一個(gè)模塊的處理時(shí)間，(ii)前一個(gè)模塊的輸出。本發(fā)明的特征在于，所述的每個(gè)模塊包含接收不同樣本的至少兩個(gè)樣本串的裝置和一個(gè)均衡器，該均衡器能夠利用接收到的至少兩個(gè)樣本串，作為將對(duì)其進(jìn)行判定的兩個(gè)未經(jīng)均衡的不同表達(dá)，從而對(duì)一個(gè)經(jīng)過均衡的相同的樣本串進(jìn)行判定。
文檔編號(hào)H04B3/06GK1535525SQ02806157
公開日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2002年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月6日
發(fā)明者C·勞特, J·拉巴, C 勞特 申請(qǐng)人:法國(guó)電信公司, 電信學(xué)校集團(tuán)(國(guó)立高等電信學(xué)校布列塔尼分校)