Сигналом называются первичные данные, получаемые в ходе анализа. Это могут быть спектры, хроматограммы, какие-либо временные зависимости, например, зависимости от времени рН или оптической плотности и многое другое. Подобные данные представляют собой зависимости некоторой величины от времени, длины волны, расстояния (для данных по пространственному распределению) или иного параметра. Они включают в себя не только полезную, но и ненужную, мешающую информацию.

Аналитический сигнал, получаемый от любого прибора, всегда включает в себя полезную информацию, шум и сигнал фона. Составляющая, несущая полезную информацию, часто может быть представлена графически в форме пика. при этом, в зависимости от частоты составляющие суммарного сигнала могут быть разделены следующим образом (F 1).

Таблица 1.

Это легко видеть, например, на хроматограмме (F 2), где имеются как пики отдельных веществ (их площади связаны с содержаниями), так и участки базовой линии (прямой или искривленной) между ними. В общем случае при регистрации сигнала как на пики, так и на базовую линию накладывается шум (F 3). Шум может настолько перекрывать полезный сигнал, что последний становится трудно различим. Качество такого рода данных обычно характеризуют отношением (полезный сигнал/шум).

Одна из важнейших задач обработки сигналов состоит в том, чтобы отличить полезный сигнал от шума, подавить шум и таким образом извлечь из исходных данных «чистый> сигнал, увеличив количество полезной информации. При графическом представлении полезный сигнал, соответствующий индивидуальному веществу, обычно имеет форму пика, реже ступени.

Для усиления полезного сигнала используют те или иные различия между ним и шумом, в первую очередь различия в их частотах. Частота электронного шума прибора обычно гораздо выше частоты полезного сигнала. В то же время, компонента, имеющая частоту значительно более низкую, чем сигнал, также является помехой и соответствует сдвигу или дрейфу базовой линии (F 3).

Наиболее эффективные методы усиления сигнала основаны на различиях в частотах или фазах между полезным сигналом и помехами. Желательно, чтобы используемый для получения информации прибор обладал как можно меньшим уровнем шумов, поскольку в этом случае задача выделения полезного сигнала облегчается.

Наиболее распространенными методами извлечения полезной информации являются различные алгебраические преобразования, сглаживание, корреляционный анализ, свертка, дифференцирование и интегрирование. Предварительно информацию, поступающую с прибора в непрерывном аналоговом виде (например, на самописец), подвергают оцифровке для обработки и хранения ее в памяти компьютера. Устройства, применяемые для оцифровки аналоговых сигналов, называются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). В этом случае выделение полезного сигнала осуществляют численными методами.

Для экспериментатора, анализирующего данные, полученные на каком-либо приборе, наиболее важным является решение следующих задач:

1. Увеличение отношения сигнал/шум, сглаживание данных.

2. Улучшение разрешения перекрывающихся пиков и устранение сигнала фона.

3. Интегрирование сигналов для получения количественных данных.

Одним из наиболее распространенных методов обработки сигналов является цифровая фильтрация данных. Эту операцию сейчас осуществляют большинство современных приборов. Для такой популярности метода цифровой фильтрации есть много причин:

- соответствующее программное обеспечение можно реализовать практически на любом компьютере;

- в методе используются только простейшие арифметические операции (сложение и умножение);

- цифровые фильтры легко адаптировать к любой конкретной ситуации;

- действия, выполняемые цифровыми фильтрами, легко поддаются интерпретации.

Конечно, никакая фильтрация не может увеличить количество информации, содержащееся в данных, но она позволяет извлечь имеющуюся информацию, сделать ее более наглядной.

В основе простейшего цифрового фильтра лежит операция усреднения: серия последовательных значений заменяется их средним арифметическим. Как известно из математической статистики, среднее характеризуется меньшим уровнем шумов (стандартным отклонением), чем исходные данные.