统计信号处理知识点总结_统计信号处理-简单看看克拉美罗界

各种研究领域(包括无线定位方向)都会碰到参数估计的问题，这时常常会看到克拉美罗界 (Cramér–Rao bound) 这个东西。很多随机信号的书都会介绍什么是克拉美罗界，但初学者学起来往往很吃力，本文从直观上简单讨论一下克拉美罗界的各个方面。

什么是参数估计问题

假设一种最简单的情况：

一个物理量为
，我们使用某种方式去观测它，观测值为
，由于存在噪声，此时
，
为高斯噪声，
。

这种情况下，我们自然会直接使用观测值
去估计
，这时就会存在估计的误差，直观地理解，噪声的方差
越大，估计就可能越不准确。

为什么要讨论克拉美罗界

讨论克拉美罗界就是为了使用这个标准来衡量无偏估计量的性能。

采用上面的方式，使用
去估计
，这个估计值会在真实值附近波动(看作随机变量)。我们需要使用一些标准来衡量这种估计的好坏，一个标准是估计值的平均，这里的这个估计量是无偏估计量。另一标准是这个估计值波动的剧烈程度，也就是方差。上面这个问题中，克拉美罗界就等于这个方差。

可是为什么不直接讨论方差而要去计算克拉美罗界呢，因为方差是针对某一种特定的估计量(或者理解为估计方式)而言的，在上面的例子中，方差是估计量
的方差(
)。对于稍微复杂一点点的问题，对
的可以有各种不同的估计量，它们分别的方差是不同的。显然，对于无偏估计量而言，方差越小的估计方式性能越好，但是这个方差有一个下界，就是我们的克拉美罗界。

直观地理解克拉美罗界

克拉美罗界本身不关心具体的估计方式，只是去反映：利用已有信息所能估计参数的最好效果。

还是上面那个参数估计问题，当我们观察到
的时候，我们可以知道真实值
的概率密度分布是以
为均值，
为方差的正态分布，即:

上图给出了两个似然函数的例子，直观地看，似然函数的“尖锐”性决定了我们估计位置参数
的精度。这个“尖锐”性可以用对数似然函数峰值处的负的二阶导数来度量，即对数似然函数的曲率(对数似然函数就是在似然函数的基础山加一个自然对数，这样有利于计算)。计算过程我就不写了，有兴趣的可以自己算算，算完之后结果为：
，这里正好是噪声的方差的倒数，也就是噪声越小，对数似然函数越尖锐。

所以，可以这样理解，似然函数的“尖锐”程度的倒数(即对数似然函数的二阶导的倒数)，就是克拉美罗界。

不同的估计量(估计方式)是什么意思

让我们来分析一个稍微复杂一点点的参数估计问题：

一个物理量为
，我们使用某种方式去观测它，观测值为
和
，这是两个不同时刻的观测结果，一样的高斯噪声
。

这种情况下，我们要估计
，正常人可能会采用估计量
，即前后两个观测的平均，也有人可能觉得这样计算量有点大，于是总是直接使用
去估计
，也有人觉得第二个观测值可能会受到系统影响而不准确，他更相信前面的观察值，于是总采取这样的估计量
。这三个估计量都是无偏的：

估计量
的方差为：

估计量
的方差为：

估计量
的方差为：

比较上面的三种估计量，第一种的方差最小，它的估计效果较好。实际上，如果第二个观测值真的不太准确，也就是后一个高斯噪声较大，这样的话也许第二个估计量就比较合适了。

因此，不同的考虑方式可以产生各种不同的估计算法，这些不同的估计量都是在真实值附近波动的随机变量(有的有偏，有的无偏)，它们分别的方差也是不一样的，但是数学家们证明了：任何无偏估计量的方差必定大于等于克拉美罗界。

克拉美罗界的基本计算

我们假设这两次观察互相独立，仅受相同的高斯白噪声影响，那么根据已有的信息，真实值
的似然函数为两个正态的概率密度分布相乘：(注意：pdf实际上应该再进行归一化处理，但是我们之后使用对数似然函数，乘不乘归一化系数都无所谓，对数之后变成了常数，求导的时候就没了)

与之前一样，可以计算出对数似然函数的二阶导数，得到结果为:
。实际上，当观测数目为
的时候，这个值将会是
。也就是说，使用多个观测值的信息时，对数似然函数越“尖锐”。这个二阶导数(曲率)更一般的度量是(下面用
来表示要估计的参数
)：

它度量了对数似然函数的平均曲率(很多情况下曲率与
的值有关，取数学期望使得它仅为
的函数)，被称为数据
的Fisher信息
，直观地理解，信息越多，下限越低，它具有信息测度的基本性质(非负的、独立观测的可加性)。一般来说，Fisher信息的倒数就是克拉美罗界了，任何无偏估计量
的方差满足：

大多情况下，这个不等式的右边(克拉美罗界)是
的函数。

克拉美罗界的标准定义

(定理：Cramer-Rao下限----标量参数)

假定PDF
满足“正则”条件(对于所有的
)：

其中数学期望是对
求取的。那么，任何无偏估计量
的方差必定满足：

其中导数是在
的真值处计算的，数学期望是对
求取的。而且，对于某个函数
和
，当且仅当

时，对所有
达到下限的无偏估计量就可以求得。这个估计量是
，它是MVU估计量(最小方差无偏估计)，最小方差是
。

总结

估计一个参数，根据已有信息得到了似然函数(或者pdf)，这个pdf的“尖锐”程度的倒数(即对数似然函数的二阶导的倒数)就是克拉美罗界。克拉美罗界的计算不依赖具体的估计方式，它可以用来作为一个衡量估计方式好坏的标准，即估计量的方差越靠近克拉美罗界，效果越好。

(注：本文主要参考《统计信号处理基础-估计与检测理论》-国外电子与通信教材系列)

关于作者：目前主要研究领域为机器学习与无线定位技术，欢迎讨论与指正！

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