共通する１つの変数にしたがって変動する2つの信号 , の間にどの程度の関連性があるかを、変数の差 の関数として表したものを相関関数と呼ぶ。信号が時系列のデータの場合には、変数 は時刻となる。関連性を調べる２つの信号 , が同一のものを自己相関関数、異なる場合を相互相関関数という。数学的には、次の式で定義される。

ここで、 は の標本平均をとることを、 は複素共役（信号が複素数の場合）を表す。信号が時系列データで、エルゴード性が成り立つと考えられる場合には、標本平均が時間平均に等しいので、時間平均

で代用することが多い。ここで、はの時間平均を表す。また、2つの信号の振幅により正規化された相関関数

を使う場合もある。正規化された相互相関関数は

を満たす。