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估计理论是统计学和信号处理中的一个分支，主要是通过测量或经验数据来估计概率分布参数的数值。这些参数描述了实质情况或实际对象，它们能够回答估计函数提出的问题。
例如，估计投票人总体中，给特定候选人投票的人的比例。这个比例是一个不可观测的参数，因为投票人总体很大；估计值建立在投票者的一个小的随机采样上。
又如，雷达的目的是物体（飞机、船等）的定位。这种定位是通过分析收到的回声（回波）来实现的，定位提出的问题是“飞机在哪里？”为了回答这个问题，必须估计飞机到雷达之间的距离。如果雷达的绝对位置是已知的，那么飞机的绝对位置也是可以确定的。
在估计理论中，通常假定信息隐藏在包含噪声的信号中。噪声增加了不确定性，如果没有不确定性，那么也就没有必要估计了。
有非常多的领域使用参数估计理论。这些领域包括（当然不局限于以下列出的领域）:
测量参数包含噪声或者其他不确定性。通过统计概率，可以求得最优化的解，用来从数据中提取尽可能多的信息。
估计理论的全部目的都是获取一个估计函数，最好是一个可以实现的估计函数。估计函数输入测量数据，输出相应参数的估计。
我们通常希望估计函数能最优，一个最优的估计意味着所有的信息都被提取出来了；如果还有信息没有提取出来，那就意味着它不是最优的。
一般来说，求估计函数需要三步：
- 为了实现一个预测单个或者多个参数的所期望的估计器，首先需要确定系统的模型。这个模型需要将需要建模的过程以及不确定性和和噪声融合到一起，这个模型将描述参数应用领域的物理场景。
- 在确定模型之后，需要确定估计器的限制条件。这些限制条件可以通过如Cramér-Rao不等式这样的方法找到。
- 下一步，需要开发一个估计器或者应用一个已知的对于模型有效的估计器。这个估计器需要根据限制条件进行测试以确定它是否是最优估计器，如果是的话，它就是最好的估计器。
- 最后，在估计器上运行试验或者仿真以测试性能。
当实现一个估计器之后，实际的数据有可能证明推导出估计器的模型是不正确的，这样的话就需要重复上面的过程重新寻找估计器。不能实现的估计器需要抛弃，然后开始一个新的过程。总的来说，估计器根据实际测量的数据预测物理模型的参数。
对于给定模型，估计器需要若干统计 "成分"才能实现。第一，统计样本从长度为 N 的随机向量（Random Variable，RV）中采样获得，观测值构成向量：
![{\displaystyle \mathbf {x} ={\begin{bmatrix}x[0]\\x[1]\\\vdots \\x[N-1]\end{bmatrix}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3e73cc498b4c467a2b8efe9650edf8930df68d7f)
第二，有 M 个参数：
它们的值需要被估计。第三，用于生成连续数据的概率密度函数（Probability density function，PDF）或离散数据的概率质量函数（Probability mass function，PMF）以参数值为条件（这些概率函数潜在存在），即条件概率为：
参数自身可能也存在概率分布（如贝叶斯统计），此时就需要定义贝叶斯概率：
模型形成后，目标是估计参数，估计的参数通常表示为 
，其中 
表示估计值。
常用的估计器包括最小均方误差（Minimum mean squared error，MMSE）估计器，它利用了估计参数和参数实际值之间的误差：
作为优化的基础。该误差项平方的期望对MMSE估计器来说是最小的。
考虑由
个独立采样点构成的离散信号![{\displaystyle x[n]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/864cbbefbdcb55af4d9390911de1bf70167c4a3d)
，它由常数
和零均值、方差为
的加性高斯白噪声![{\displaystyle w[n]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2a4e3e5afc2a8c6da9020b8c6b21450959101a18)
（即
）构成。方差已知，未知参数为 。
信号的模型为：
![{\displaystyle x[n]=A+w[n]\quad n=0,1,\dots ,N-1}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e1d88a9335e74132ddc42f3f9845e4b3a6eeb0a1)
参数 的两个可能的估计器是：
![{\displaystyle {\hat {A}}_{1}=x[0]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7efe6653cd0810309227e87ae4e1506100c0ef98)
![{\displaystyle {\hat {A}}_{2}={\frac {1}{N}}\sum _{n=0}^{N-1}x[n]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0037a0e52e042f684bc642f133818d8106fc2a62)
，即采样平均（Sample mean）
通过计算两个估计器的期望可以发现，它们的均值均为 ：
![{\displaystyle \mathrm {E} \left[{\hat {A}}_{1}\right]=\mathrm {E} \left[x[0]\right]=A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e8eea7a9306f8e8ad9ec4eba1e66d6c3b680a791)
和
![{\displaystyle \mathrm {E} \left[{\hat {A}}_{2}\right]=\mathrm {E} \left[{\frac {1}{N}}\sum _{n=0}^{N-1}x[n]\right]={\frac {1}{N}}\left[\sum _{n=0}^{N-1}\mathrm {E} \left[x[n]\right]\right]={\frac {1}{N}}\left[NA\right]=A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/38009589e38e8b364cbf62318a2c067de3d5c02f)
两个估计器的均值没有差异，然而它们的方差不同：
![{\displaystyle \mathrm {var} \left({\hat {A}}_{1}\right)=\mathrm {var} \left(x[0]\right)=\sigma ^{2}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d5bfcf819ea5feb58537ac1b60805a06aa6ef62d)
和
![{\displaystyle \mathrm {var} \left({\hat {A}}_{2}\right)=\mathrm {var} \left({\frac {1}{N}}\sum _{n=0}^{N-1}x[n]\right)={\frac {1}{N^{2}}}\left[\sum _{n=0}^{N-1}\mathrm {var} (x[n])\right]={\frac {1}{N^{2}}}\left[N\sigma ^{2}\right]={\frac {\sigma ^{2}}{N}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a0235ae36ae0f2173a50fb57996b485702d8a37a)
当
时，
，所以似乎采样平均
是一个更好的估计器。
使用最大似然估计继续上面的例子，噪声在采样点 上的概率密度函数（pdf）为：
![{\displaystyle p(w[n])={\frac {1}{\sigma {\sqrt {2\pi }}}}\exp \left(-{\frac {1}{2\sigma ^{2}}}w[n]^{2}\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6afa77b39956d597a829a9d79c9e00382d3599f9)
此时 的概率为（ 服从分布
）：
![{\displaystyle p(x[n];A)={\frac {1}{\sigma {\sqrt {2\pi }}}}\exp \left(-{\frac {1}{2\sigma ^{2}}}(x[n]-A)^{2}\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6dadba5522e55e1280ff3d724a17b3fb6be9d629)
由于相互独立，
的概率为：
![{\displaystyle p(\mathbf {x} ;A)=\prod _{n=0}^{N-1}p(x[n];A)={\frac {1}{\left(\sigma {\sqrt {2\pi }}\right)^{N}}}\exp \left(-{\frac {1}{2\sigma ^{2}}}\sum _{n=0}^{N-1}(x[n]-A)^{2}\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3f2ece3340c919b3f79fd607bf9dad576368a439)
对上式取自然对数：
![{\displaystyle \ln p(\mathbf {x} ;A)=-N\ln \left(\sigma {\sqrt {2\pi }}\right)-{\frac {1}{2\sigma ^{2}}}\sum _{n=0}^{N-1}(x[n]-A)^{2}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cfd2fb56c98155b49d5e330ea4db342ee0b6de2e)
于是最大似然估计器为：
计算对数-最大似然函数的一阶导数：
![{\displaystyle {\frac {\partial }{\partial A}}\ln p(\mathbf {x} ;A)={\frac {1}{\sigma ^{2}}}\left[\sum _{n=0}^{N-1}(x[n]-A)\right]={\frac {1}{\sigma ^{2}}}\left[\sum _{n=0}^{N-1}x[n]-NA\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8a674d68209284a5a9468459f08aa06057c5c01d)
令其为0：
![{\displaystyle 0={\frac {1}{\sigma ^{2}}}\left[\sum _{n=0}^{N-1}x[n]-NA\right]=\sum _{n=0}^{N-1}x[n]-NA}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/541b7836252bb44ad16ad11bf3d1a5a77057cf29)
得到最大似然估计器：
![{\displaystyle {\hat {A}}={\frac {1}{N}}\sum _{n=0}^{N-1}x[n]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3c08685bf87326e0644e61bb668cb63f20555181)
它是一个简单的采样平均。从这个例子中可以发现，被独立同分布的加性高斯白噪声污染的、由未知常数构成的 点信号的最大似然估计其就是采样平均。
为了找到采样平均估计器的Cramér-Rao下限（CRLB），需要找到Fisher information数
![{\displaystyle {\mathcal {I}}(A)=\mathrm {E} \left(\left[{\frac {\partial }{\partial \theta }}\ln p(\mathbf {x} ;A)\right]^{2}\right)=-\mathrm {E} \left[{\frac {\partial ^{2}}{\partial \theta ^{2}}}\ln p(\mathbf {x} ;A)\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/44e595795eec438eca51a4c171e19d78699f62e8)
从上面得到
![{\displaystyle {\frac {\partial }{\partial A}}\ln p(\mathbf {x} ;A)={\frac {1}{\sigma ^{2}}}\left[\sum _{n=0}^{N-1}x[n]-NA\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4a63946819cd04e4f699945d43d31f4c3cfdfb4b)
取二阶导数
发现负的期望值是无关紧要的（trivial），因为它现在是一个确定的常数
![{\displaystyle -\mathrm {E} \left[{\frac {\partial ^{2}}{\partial A^{2}}}\ln p(\mathbf {x} ;A)\right]={\frac {N}{\sigma ^{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/96435e2d46975d62eb7267464a6029593ba07ad1)
最后，将Fisher information代入
得到
将这个值与前面确定的采样平均的变化比较显示对于所有的 和 来说采样平均都是等于Cramér-Rao下限。
采样平均除了是最大似然估计器之外还是最小变化无偏估计器（MVUE）。
这个直流增益 + WGN的例子是Kay的统计信号处理基础中一个例子的再现。
