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0 引言
有源噪声控制 (Active noise control, ANC) 是
一种利用次级声源产生与噪声幅度相同而相位相
反的声波以抵消噪声的技术 [1] 。有源噪声控制相比
于被动降噪方法对低频噪声有着更好的控制效果，
因而有源降噪技术在耳机、汽车和管道降噪中获得
广泛的应用。
有源降噪耳机的控制模式可分为固定滤波器
和自适应滤波器两种。受电子学发展限制，早年的
有源噪声控制全部基于模拟电子技术 [2] 。由于模拟
电路具有灵活性低的缺陷，只能采用固定滤波器的
控制模式。自 1980 年以来，随着高性能数字芯片的
发展，基于自适应滤波器的有源噪声控制方案的应
用成为可能 [3] 。传统自适应有源降噪耳机结构中一
般包含一个误差传声器用于接收人耳处噪声。实际
应用中，依赖误差传声器的自适应有源降噪算法通
常存在由于次级通道变化引入的稳定性不足问题。
基于前馈控制的滤波 x 最小均方 (Filtered-x least
mean square, FxLMS) 算法 [4] 和基于反馈控制的
内部模型控制 (Internal model control, IMC)
为应用最为广泛的两种控制方案，其稳定性条件是
次级通道模型与真实次级通道的相位差小于90
否则可能产生由算法发散引起的啸叫现象。在有源
降噪耳机中，耳机次级通道可能产生较大改变，此时
若引起啸叫，会使佩戴者产生不适。为解决这一问
题，文献[5]研究了基于不确定次级通道的有源降噪
方案，但该方法通常会损失降噪量。另一种方法是
利用在线辨识对次级通道进行跟踪 [6] ，但该方法会
引入宽带噪声，且对次级通道的突发变动反应较差。
文献 [7]提出的方法避免了以上方法的问题，但需要
依赖对稳定性限制条件的精准检测。另一方面，误
差传声器接收外界噪声的同时也会接收耳机播放
的声频信号，这会引入 ANC 对声频频响的损伤，从
而带来额外的声质损伤。除此之外，误差传声器的
存在使得耳机结构更加复杂，在许多体积较小的入
耳式耳机中，需要为布放误差传声器做特殊设计。
为探索更优方案，可使用虚拟传感技术 (Vir-
tual microphone technique, VMT)。虚拟传感技术
最早由 Elliott 等 [8] 提出，被广泛运用于有源头靠等
不易在听声位置布放传声器的应用场景中。经过多
年的发展，多种方法的虚拟传感方法被提出来
2019 年 1 月
文献 [10–11] 中的方案均以误差传声器为物理传声
器对人耳处噪声进行降噪，此类方案依然需要依赖
误差传声器，难以解决算法稳定性差、频响损伤和
耳机结构复杂等问题。以上虚拟传感方法虽然取消
了人耳处的误差传声器，但在参考传声器之外依然
需要一个物理传声器来构造虚拟误差信号，由于闭
环反馈路径存在，因此依然需要控制算法的发散问
题。文献 [12] 仅使用一个参考传声器实现了一种无
误差传感的前馈自适应有源降噪耳机，该方法取消
了物理传声器，但在构造误差信号时未考虑次级通
道影响，使得拟合的误差信号与真实的误差信号产
生偏差，会对降噪效果造成一定损失。另外，该方法
未能实现反馈自适应算法的有源噪声控制。
针对以上问题，本文引入了一种虚拟无误差传
感的自适应有源降噪耳机方案。该方案以参考传
声器信号来估计人耳处噪声信号，实现了前馈控制
FxLMS 算法与反馈 IMC 算法相结合的自适应有源
降噪耳机系统。将该方案在 DSP 平台进行了实现，
通过实验验证了其良好的降噪效果。将该方案在次
级通道发生变化时的稳定性与传统自适应方案进
[1] 作
行了对比，验证了其良好的稳定性。通过测量两种
◦[1] ， ANC模式工作时的声频信号频响曲线，并与耳机原
始频响对比，验证了虚拟传感自适应 ANC 方案具
有更小的频响损伤。
1 无需误差传声器的自适应有源降噪耳
机原理
传统前馈 FxLMS 算法和反馈 IMC 算法在文
献 [1] 中有较为详细的介绍。两种控制方案均需要
依赖一个误差传声器。本文利用虚拟传感技术将误
差传声器省略。由于人耳处噪声信号是期望信号与
滤波输出信号经次级通道传播后的信号二者的叠
加，可使用人工头中的误差传声器提前测量出初级
通道和次级通道传递函数，再根据参考传声器信号
与滤波器输出信号实时估计人耳处噪声信号。在自
适应滤波器进行迭代更新时，利用估计的误差信号
最小化为目标，从而起到降低人耳处噪声的效果。
下面对基于传统前馈FxLMS算法和反馈IMC算法
[9] 。 的虚拟传感自适应算法原理分别进行介绍。