信号检测与估计理论是现代信息理论的一个重要分支，是以信息论为理论基础，以概率论、数理统计和随机过程为数学工具，综合系统理论与通信工程的一门学科。主要研究在信号、噪声和干扰三者共存条件下，如何正确发现、辨别和估计信号参数，为通信、雷达、声呐、自动控制等技术领域提供了理论基础，并在统计识别、射电天文学、雷达天文学、地震学、生物物理学以及医学信号处理等领域获得了广泛应用。

为了利用电的信息传输方式获取并利用信息，人们常需要将信息调制到信号中，并将载有信息的信号传输给信息的需要者。信息传输是指从一个地方向另一个地方进行信息的有效传输与交换。为了完成这一任务，需要信号发送设备和信号接收设备。信号发送设备产生信号，并将信息调制到信号中，然后将信号发送出去；信号经过信道的传输到达信号接收设备。信号接收设备接收载有信息的信号，并将信息从信号中提取出来，然后将信息提供给信息需要者。

信息传输离不开信息传输系统。传输信息的全部设备和传输媒介所构成的总体称为信息传输系统。信息传输系统的任务是尽可能好地将信息调制到信号中，有效发送信号，从接收信号中恢复被传送的信号，将信息从信号中解调出来，达到有效、可靠传输信息的目的。信息传输系统的一般模型如图1-1 所示。它通常由信息源、发送设备、信道、接收设备、终端设备以及噪声源组成。信息源和发送设备统称为发送端。接收设备和终端设备统称为接收端。图1-1 所示的信息传输系统模型高度地概括了各种信息传输系统传送信息的全过程和各种信息传输系统的工作原理。它常称为香农（Shannon）信息传输系统模型，是广义的通信系统模型。图中的每一个方框都完成某种特定的功能，且每个方框都可能由很多的电路甚至是庞大的设备组成。

图1-1　信息传输系统模型

信息源（简称信源）是指向信息传输系统提供信息的人或设备，简单地说就是信息的发出者。信源发出的信息可以有多种形式，但可以归纳为两类：一类是离散信息，如字母、文字和数字等；另一类是连续信息，如语音信号、图像信号等。信源也就可分为模拟信源和数字信源。

发送设备将信源产生的信息变换为适合于信道传输的信号，送往信道。

信道是将来自发送设备的信号传送到接收设备的物理媒介（质），是介于发送设备和接收设备之间的信号传输通道，又称为传输媒介（质）。信道分为有线信道和无线信道两大类。

噪声是指信息传输中不需要的电信号的统称。噪声源是信道的噪声以及分散在信息传输系统中各种设备噪声的集中表示。信息传输系统中各种设备的噪声称为内部噪声；信道的噪声称为外部噪声。由于噪声主要是来自信道，通常将内部噪声等效到信道中，这种处理方式可以给分析问题带来许多方便，并不影响主要问题的研究。噪声是有害的，会干扰有用信号，降低信息传输的质量。

接收设备是从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号的系统。如收音机、电视机、雷达接收机、通信接收机、声呐接收机及导航接收机等。信号检测与估计是接收设备的基本任务之一。

终端设备是将接收设备复原的原始电信号转换成相应信息的装置，如扬声器及显示器等。

信息传输系统模型是一个高度概括的模型.概括地反映了信息传输系统的共性。通信系统、遥测系统、遥感系统、生物信息传输系统都可以看作它的特例。信号检测与估计的讨论就是针对信息传输系统模型而开展的。

信号在传输过程中，不可避免地与噪声混杂在一起，受到噪声的干扰，使信号产生失真。噪声与信号混杂在一起的类型有3 种：噪声与信号相加、噪声与信号相乘（衰落效应）、噪声与信号卷积（多径效应）。与信号相加的噪声称为加性噪声，与信号相乘的噪声称为乘性噪声，与信号卷积的噪声称为卷积噪声。加性噪声是最常见的干扰类型，数学上处理最为方便，加性噪声中信号检测与估计问题的研究最为成熟。加性噪声中信号检测与估计也是最基本的，因为乘性噪声和卷积噪声中信号检测与估计均可转换为加性噪声的情况。通过取对数的方法，可以将乘性噪声的情况转换为加性噪声的情况；通过先进行傅里叶变换，再取对数的方法，可以将卷积噪声的情况转换为加性噪声的情况。因此，本书主要讨论加性噪声中信号检测与估计问题。从而，本书所讨论的信号检测与估计的研究对象就是加性噪声情况下的信息传输系统模型。加性噪声情况下的信息传输系统模型如图1-2 所示。

图1-2　加性噪声情况下的信息传输系统模型(www.daowen.com)

在信息传输系统中，匹配滤波器（Matched filter）、信号检测系统及信号估计系统通常是接收设备的基本组成部分，并且是串联的。接收设备的组成框图如图1-3 所示。

图1-3　接收设备的组成框图

信息传输系统分类的方式很多。按照传输媒质，信息传输系统可分为有线信息传输系统和无线信息传输系统两大类。有线信息传输系统是用导线作为传输媒质完成通信的系统，如市内电话、海底电缆通信等。无线信息传输系统是依靠电磁波在空间传播达到传递信息目的的系统，如短波电离层传播、卫星中继等。

按照信道中传输的信号特征，信息传输系统分为模拟信息传输系统和数字信息传输系统。模拟信息传输系统是利用模拟信号来传递信息的信息传输系统。数字信息传输系统是利用数字信号来传递信息的信息传输系统。

对信息传输系统的性能要求，主要有两个方面：可靠性和有效性。要求信息传输系统能可靠地传输信息是系统的可靠性或抗干扰性；要求信息传输系统能高效率地传输信息是系统的有效性。有效性衡量系统传输信息的“速度”问题；可靠性衡量系统传输信息的“质量”问题。

使信息传输可靠性降低的主要原因有：

1.信息传输不可避免地受到的外部噪声和内部噪声的影响。

2.传输过程中携带信息的有用信号的畸变。

携带信息的电磁信号在大气层中传播时，由于大气层和电离层的吸收系数与折射系数的随机变化，必然导致电磁信号的振幅、频率和相位等参量的随机变化，从而引起电磁信号的畸变。

在大气层中传播的电磁信号会受到雷电、大气噪声、宇宙噪声、太阳黑子及宇宙射线等自然噪声的干扰，也会受到来源于各种电气设备的工业噪声和来源于各种无线电发射机的无线电噪声等人为噪声的干扰。这些自然噪声和人为噪声都属于信道的噪声，是外部噪声的主要来源。电磁信号除了受外部噪声的干扰外，还受发送设备和接收设备内部噪声的影响，使得在许多实际情形中，接收设备所接收的有用电磁信号埋没在噪声干扰之中，因而难以辨认。信息传输过程中存在的这些外部噪声和内部噪声的干扰，大大降低了信息传输的可靠性。噪声源是信息传输系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。为了保障信息可靠地传输，就必须同这些不利因素进行斗争，降低这些不利因素的影响。信号检测与估计理论正是在人们长期从事这种斗争的实践过程中逐步形成和发展起来的。

经信道传送到接收端的信号是有用信号和噪声叠加的混合信号，因此接收设备的主要作用是从接收到的混合信号中，最大限度地提取有用信号，抑制噪声，以便恢复出原始信号。

信息传输的目的是通过信号传递信息，它要将有用的信息无失真、高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息加以有效抑制。接收设备的任务是从受到噪声干扰的信号中正确地恢复出原始的信息。信号检测与估计是研究信息传输系统中接收设备如何从噪声中把所需信号及其所需信息检测、恢复出来的理论。因此，信号检测与估计理论的研究对象是加性噪声情况信息传输系统中的接收设备。