Hạnh phúc với công trình để lại cho thế hệ sau

Sinh ra và lớn lên ở mảnh đất nghèo huyện Tuyên Hóa, Quảng Bình, PGS.TS Phạm Thượng Hàn là con đầu trong nhà có 7 anh em, kinh tế gia đình khó khăn nhưng bố mẹ ông vẫn cố gắng cho các con ăn học đầy đủ. Năm 1955, Quảng Bình thực hiện cải cách ruộng đất, gia đình bị quy thành phần địa chủ, bố ông là Phạm Long Vân đang làm Trưởng ban Tổ chức tỉnh đã phải bỏ trốn. Chú bé Hàn mới 10 tuổi cùng mẹ – bà Trương Thị Huyên đi ở thuê, kiếm sống. Năm 1957, nhờ chính sách sửa sai của nhà nước nên gia đình ông được minh oan, cụ Vân được cử ra Hà Nội học lý luận ở trường Đảng Nguyễn Ái Quốc Trung ương (nay là Học viện Chính trị quốc gia Hồ Chí Minh), rồi về công tác ở Bộ Công nghiệp nhẹ. Thương vợ ở quê vất vả nuôi con, năm 1959, cụ Vân đón Phạm Thượng Hàn ra Hà Nội sống và theo học lớp 7, trường cấp II Nguyễn Trãi (nay là trường Trung học phổ thông Phan Đình Phùng). Với quyết tâm trong học tập, Phạm Thượng Hàn đã đạt danh hiệu học sinh giỏi của lớp và xét thẳng vào học cấp III ở trường Chu Văn An. Từ năm 1960 đến năm 1963, Phạm Thượng Hàn phấn đấu là học sinh giỏi toàn diện và ở trong ban cán sự lớp. Với tấm bằng tốt nghiệp loại giỏi, lại đạt kết quả cao trong kỳ thi đại học, ông được lãnh đạo trường ĐH Tổng hợp Hà Nội[1] cử đi học bổ túc tiếng Nga tại trường Chuyên tu ngoại ngữ ở Gia Lâm. Trong lớp học 100 sinh viên, có 25 người được chọn sang Liên Xô học, trong đó có ông.

Tháng 9-1964, sinh viên Phạm Thượng Hàn sang Liên Xô học ở khoa Kỹ thuật Đo lường thông tin, trường ĐH Bách khoa Lêningrat. Ông may mắn được phân vào nhóm 325, còn gọi là nhóm Kỹ thuật đo lường thông tin, vốn được mở riêng trong khoa dành cho sinh viên Liên Xô, nhóm có 30 sinh viên, mình ông là người ngoại quốc. Khi các thầy giảng bài, thời gian đầu ông không hiểu do vốn tiếng Nga còn ít, vì vậy, sau mỗi giờ lên lớp, sinh viên Hàn lại mượn vở của các bạn về chép và học để nắm kiến thức. Mỗi ngày, ông thường học từ 8 giờ sáng hôm trước đến tận 2 giờ sáng hôm sau mới đi ngủ. Ngoài ra, các bạn trong nhóm 325 cũng nhiệt tình giúp đỡ ông về tiếng Nga và kiến thức chuyên môn (điều này đã được viết trong bài Sức mạnh của tình bạn Komsomol đăng trên tạp chí trường). Sau nửa năm, ông đã bắt nhịp được cùng với mọi người trong nhóm vừa tham gia học tập vừa nghiên cứu.

PGS.TS Phạm Thượng Hàn trong buổi làm việc, ngày 3-3-2016

Hơn 5 năm nỗ lực học tập, năm 1970, sinh viên Phạm Thượng Hàn đã bảo vệ thành công đề tài luận văn tốt nghiệp Nghiên cứu hiệu ứng cộng hưởng từ hạt nhân và ứng dụng trong đo lường dưới sự hướng dẫn của GS Spektor. Với tấm Bằng đỏ đại học, GS Spektor gợi ý ông có thể học tiếp nghiên cứu sinh nhưng ông từ chối vì đất nước đang có chiến tranh. Hơn nữa, mẹ ông đang phải một mình nuôi các em ăn học bởi bố bị bệnh mất từ năm 1965. Về nước, kỹ sư Phạm Thượng Hàn được phân công tác ở khoa Điện, trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Ngoài giảng dạy, với chuyên ngành đào tạo của mình, ông đã tham gia một số đề tài thuộc lĩnh vực quân sự do Viện Kỹ thuật quân sự chủ trì và ứng dụng, như nghiên cứu Thiết bị đo tốc độ đạn của pháo để khi quả đạn bắn ra sẽ xác định được độ rơi và điểm nổ của quả đạn. Hoặc đề tài Xây dựng hệ thống đảm bảo độ chính xác của tần số Việt Nam do Viện Đo lường quân đội chủ trì nghiên cứu vấn đề tần số trong rada,…

Năm 1979, giảng viên Phạm Thượng Hàn được trở lại trường ĐH Bách khoa Lêningrat làm nghiên cứu sinh. Lúc này, ông tập trung vào nghiên cứu hàm tương quan trong tổ hợp đo lường tính toán để ứng dụng trong công nghiệp. Khi đó, người dân Liên Xô rất tự hào bởi ba nhà khoa học (được viết tắt là 3K) gồm: GS Keldưs – Chủ tịch Viện Hàn lâm khoa học Liên Xô, GS Korolov, người đã chế tạo ra tên lửa và tàu vũ trụ và GS Kurtratov đã chế tạo ra bom nguyên tử. PGS.TS Phạm Thượng Hàn cho biết: “Để đưa được tàu vào vũ trụ, ngoài việc chế tạo được tên lửa có lực đẩy đủ mạnh, điều quan trọng là phải thu và xử lý tín hiệu từ con tàu mới điều khiển được nó. Khi con tàu bay vào vũ trụ do khoảng cách rất xa so với mặt đất nên việc thu tín hiệu thường bị nhiễu bởi các sóng điện từ, có khi không nhận được tín hiệu. Chính GS Keldưs đã sử dụng Toán học thống kê để tách tín hiệu ra khỏi sóng điện từ (miền nhiễu), nhờ đó các trạm ra đa dưới mặt đất có thể nhận được tín hiệu từ tàu vũ trụ gửi về. Bên cạnh đó, ứng dụng toán học giúp tránh được sự cộng hưởng tần số gây nổ tàu vũ trụ, máy bay khi cất cánh. Chính điều này đã thôi thúc tôi đi sâu nghiên cứu toán học và ứng dụng của nó vào lĩnh vực đo lường”[2]. Lúc này, nghiên cứu sinh Phạm Thượng Hàn đã chuyển sang một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực đo lường là “Đo hàm tương quan bằng thuật toán thích nghi” do GS Ismailov hướng dẫn chính. Thầy hướng dẫn phụ lại là GS Spektor – người thầy đã hướng dẫn ông thời đại học.

Cùng thời điểm đó, các nhà khoa học Mỹ đã nghiên cứu ra Hệ thống KAMAC (gọi là Máy tính áp dụng cho đo và điều khiển), còn Liên Xô nghiên cứu ra Hệ thống IVK (gọi là Tổ hợp đo lường tính toán). Nghiên cứu sinh Phạm Thượng Hàn được các thầy hướng dẫn tiếp cận với Hệ thống IVK, đây vừa là cơ hội mà cũng là thách thức đối với ông bởi lĩnh vực toán xác suất thống kê rất khó, chỉ sai lệch một dấu cũng hỏng cả công trình. Cuối cùng, ông tạo ra được Chương trình đo hàm tương quan bằng thuật toán thích nghi của quá trình ngẫu nhiên.

Năm 1981, nghiên cứu sinh Phạm Thượng Hàn quyết định chọn đề tài Nghiên cứu và thực hiện đo hàm tương quan của quá trình ngẫu nhiên, sử dụng tổ hợp đo lường tính toán để làm luận án phó tiến sĩ. Ông giải thích: “Khi nghiên cứu và xử lý tín hiệu của hàm tương quan thường phân tích trên hai mặt là: tín hiệu trong miền thời gian và tín hiệu trong miền tần số”[3]. Công việc nghiên cứu luôn đòi hỏi sự tỉ mỉ, để chứng minh một biểu thức toán học ông phải làm nhiều thí nghiệm với nhiều tần số xác suất, sai một li là đi một dặm. PGS.TS Phạm Thượng Hàn nhớ lại: “Khi đang làm luận án phó tiến sĩ, để chứng minh một biểu thức toán học, tôi lấy bình phương cả phương trình để giải thuật toán nhưng kết quả ra số âm (còn kết quả đúng là phải số dương). Kiểm tra các bước làm không thấy sai sót nên tôi đến xin ý kiến của thầy giáo trên khoa, hai thầy trò cùng kiểm tra lại cách giải bài toán nhưng chưa tìm ra nguyên nhân lỗi nên tôi đành cầm bài về nhà”[4]. Một hôm, ông đang cùng các bạn đi chơi ở ngoại ô thành phố Lêningrat thì bỗng ông nhớ ra mình đã quên nguyên tắc khi tính hàm tương quan chẵn thì không được đổi dấu nên vội trở về nhà. Khi tìm ra kết quả, ông rất vui mừng và đi đến chỗ làm việc của thầy để báo tin vui: Em tìm ra kết quả rồi thầy ạ. Năm 1983, ông Hàn bảo vệ thành công luận án phó tiến sĩ. Trở về nước, tiếp tục công tác tại ĐH Bách khoa Hà Nội, ông được khoa Điện phân công phụ trách xây dựng Bộ môn Đo lường cơ sở và tham gia giảng dạy.

Đầu những năm 90, đất nước đổi mới, khoa học công nghệ phát triển ngày càng mạnh mẽ, nhất là công nghệ kỹ thuật số. Trước đó, thế giới có các định lý lấy mẫu nổi tiếng như: Định lý Kotelnikov của giáo sư Toán học Kotelnikov người Liên Xô (năm 1933); Định lý lấy mẫu Nyquist – Shannon do hai nhà bác học Mỹ là Nyquist và Shannon phát hiện. Theo đó Định lý Kotelnikov được phát biểu: “Một hàm bất kỳ x(t) có phổ hạn chế trong dải 0->Fmax có thể với một độ chính xác bất kỳ lấy các mẫu cách đều nhau 1 khoảng Te = 1/2Fmax”[5]. Để chứng minh định lý, GS Kotelnikov đưa ra 2 quá trình là lấy mẫu tín hiệu và phục hồi tín hiệu. Việc lấy mẫu được chọn bất kỳ trong dải từ 0 ->Fmax, còn phục hồi tín hiệu thì dùng hàm Sinx/ x. Sau quá trình phân tích, ông Kotelnikov đã chứng minh Phép lấy mẫu tín hiệu với tần số lấy mẫu: Fe = 2Fmax, với Fe là tần số lấy mẫu. Đến năm 1948, nhà bác học người Mỹ Shannon cho rằng: “Một tín hiệu x(t) có phổ hạn chế trong khoảng 0->Fmax có thể được biểu diễn hoàn toàn bằng các mẫu cách đều nhau, tần số Fe sao cho Fe ≥ 2 Fmax”[6], và tiếp tục sử dụng hàm Sinx/x làm hàm phục hồi.  Sau đó, nhà bác học Nyquist đưa ra vấn đề: Nếu sử dụng phép biến đổi Fourier thì có cả hàm âm, nếu sử dụng các định lý của GS Kotelnikov và Shannon sẽ không ra kết quả. Do đó, ông Nyquist đã phát biểu: “Nếu mở rộng dải tần số lấy mẫu âm tức từ -Fmax -> Fmax thì sẽ không bị mất thông tin khi thực hiện phép lấy mẫu…”[7]. PGS Hàn cho biết: “Cả ba định lý lấy mẫu đều sử dụng hàm Sinx/x (được biểu thị bằng đường cong) và ra đời khi chưa xuất hiện công nghệ kỹ thuật số. Trong khi công nghệ kỹ thuật số đòi hỏi phải sử dụng hàm bậc thang mới tính toán được, vì vậy, 3 định lý trên không còn phù hợp nữa”[8]. Dù trăn trở nhiều năm nhưng ông vẫn chưa nghĩ ra một định lý phù hợp để ứng dụng trong lĩnh vực đo lường, nhất là trong công nghệ kỹ thuật số.

Năm 1998, khoa Điện cho thành lập bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp và cử PGS.TS Phạm Thượng Hàn làm Chủ nhiệm, do đó, ông có thêm điều kiện đi sâu nghiên cứu Kỹ thuật đo lường. Ông cố gắng vận dụng các công thức nhằm tìm ra một định lý phù hợp khi xử lý tín hiệu và sử dụng trong chương trình kỹ thuật số. Khi áp dụng phép phân tích tương quan và hàm tương quan với trung bình thống kê của toán học mà ông Hàn từng được học trong thời gian làm nghiên cứu sinh ở Liên Xô, ông đã chứng minh thành công định lý lấy mẫu tín hiệu mới. Theo đó, tần số lấy mẫu Fe của ông chỉ bằng 2 pi Fmax/ 3 gamma, với hàm phục hồi bậc thang (hàm bậc không). PGS Hàn cho biết: “Theo định lý Shannon, tần số lấy mẫu Fe ≥ 2 Fmax nhưng tần số lấy mẫu Fe cần lớn đến bao nhiêu?, đấy là câu hỏi khó giải đáp”[9], trong công nghệ kỹ thuật số hiện nay, cứ 1 phút sẽ cho ra kết quả 60 tỉ kết quả, với khối lượng thông tin khổng lồ như thế thì máy tính khó xử lý được hết thông tin cần dùng. PGS Hàn ví von: “Một người mặc áo có kích cỡ số 39, nếu ta tìm đúng số áo thì người mặc sẽ vừa và đẹp. Nếu ứng dụng định lý Shannan, kích cỡ áo người mặc sẽ lớn hơn hoặc bằng số 39. Như vậy, kết quả có được sẽ rất nhiều, kích cỡ áo có thể là  40, 41, 42… Người mặc cỡ áo 39 vẫn có thể mặc áo cỡ 50, thậm chí lớn hơn nhưng sẽ xấu và gây lãnh phí. Nếu ứng dụng định lý mới của tôi sẽ tìm được kích cỡ số áo mặc phù hợp chỉ trong khoảng 39 hoặc 40”[10]. Qua đó, định lý của ông mang lại hiệu quả tốt, vừa giúp đảm bảo độ chính xác, không tốn thời gian xử lý tín hiệu mà vẫn phù hợp với yêu cầu trong công nghệ kỹ thuật số (hàm bậc thang).

Tháng 11-2005, Hội nghị Đo lường toàn quốc lần thứ IV được tổ chức ở Hà Nội, PGS Hàn quyết định công bố định lý của mình thông qua bài báo cáo Định lý mới về lấy mẫu tín hiệu đo lường. Trước khi báo cáo tại hội nghị, ông Hàn mang bài báo cáo tới gặp PGS Nguyễn Hồ Quỳnh[11], người thầy mà ông tin tưởng và kính trọng trong nghiên cứu khoa học để xin ý kiến. Về PGS Nguyễn Hồ Quỳnh, có một kỷ niệm mà ông nhớ mãi: Đó là năm 1979, trước khi ông Hàn sang Liên Xô làm nghiên cứu sinh đã nhờ thầy Quỳnh giảng về lý thuyết quyết định (thuộc lĩnh vực Toán học thống kê). Ông Quỳnh minh họa lý thuyết quyết định như người đi vào đầm lầy, phải cầm gậy dò đường, chỗ nào đất rắn thì đi tiếp, cứ như vậy sẽ qua được đầm lầy. Tức là khi giải một bài toán về lý thuyết quyết định cần có những phép thử mới tìm ra kết quả, điều này thường được ông thực hiện trong quá làm luận án phó tiến sĩ.

Ngày 26-9-2005, PGS Nguyễn Hồ Quỳnh gọi điện cho ông Hàn hẹn đến nhà riêng để trả bài báo cáo kèm theo một bản nhận xét, ông Quỳnh khá tâm đắc với định lý mới này. Trong bản nhận xét ghi: “Vấn đề nêu trong báo cáo phù hợp và có ứng dụng thiết thực trong việc xử lý số các tín hiệu”[12]. Về hình thức báo cáo: “Phù hợp với yêu cầu về hình thái của một bài viết để đăng trên các tập san chuyên ngành hoặc trong tuyển tập của các hội nghị chuyên ngành”[13]. Nhận được sự khích lệ của thầy Quỳnh, PGS.TS Phạm Thượng Hàn thêm vững tin báo cáo định lý mới tại hội nghị. Cũng tại hội nghị này, PGS.TS Nguyễn Huy Luận – nguyên Phó Tổng cục trưởng Tổng cục Bưu điện đánh giá: Công trình này ngang tầm một luận án Tiến sĩ khoa học.

Sau hội nghị, ông Hàn làm hồ sơ đăng ký bản quyền cho Định lý mới về lấy mẫu tín hiệu đo lường. Ngày 6-3-2006, Cục bản quyền tác giả Văn học – Nghê thuật[14], Bộ Văn hóa – Thông tin cấp giấy công nhận bản quyền định lý của ông với mã số 423/2006/QTG. Ngày 30-1-2007, một đoàn 10 cán bộ của trường ĐH Bách khoa do PGS.TS Phạm Hoàng Lương – Hiệu phó nhà trường làm trưởng đoàn sang Thái Lan tham dự Hội nghị các trường Đại học châu Á do trường Đại học Shibaura (Nhật Bản) đăng cai tổ chức. Là một thành viên trong đoàn, ông Hàn đăng ký phát biểu bài The new theorem of sampling measuring singnals (Định lý mới về lấy mẫu tín hiệu đo lường) và nhận được sự ủng hộ của mọi người tham dự. Trong quá trình giảng dạy, định lý của ông tiếp tục được nhiều người sử dụng trong quá trình làm đề tài của mình như: Nghiên cứu sinh Cao Minh Quyền làm luận án Thông minh hóa cảm biến đo lường trên cơ sở mạng Nơ ron nhân tạo, năm 2006; nghiên cứu sinh Nguyễn Quân Nhu với luận án Nghiên cứu và ứng dụng mạng Nơ ron và logic mờ cho bài toán dự báo phụ tải điện ngắn hạn, năm 2011… Ngoài ra, định lý được in vào sách Xử lý số tín hiệu và ứng dụng, H – Giáo dục, 2006; Hệ thống Thông tin công nghiệp, H – Giáo dục, 2007… Hiện nay, các cuốn sách đã được giảng dạy ở một số trường như: Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Đông Á…

Đến năm 2015, tại Hội nghị Đo lường toàn quốc lần VI, PGS.TS Phạm Thượng Hàn tiếp tục bổ sung và phát triển định lý của mình với điểm mới là mở rộng thêm dải tần số âm từ -Fmax đến Fmax, thay vì định lý cũ chỉ cho dải tần số từ 0 đến Fmax. Trong hội nghị, ông Hàn phát biểu: “Nếu chỉ xét riêng tín hiệu đo lường, tức là tín hiệu thực tế thì dải tần số chỉ hạn chế trong khoảng từ 0 đến fmax. Trong các phép biến đổi toán học, như phép biến đổi Furiê thì lại gồm cả dải tần số âm (-), hoặc khi dịch tọa độ tần số cũng xuất hiện tần số âm. Liệu với dải tần số âm, định lý có còn đúng không?”[15]. Trong báo cáo Mở rộng phạm vi định lý lấy mẫu P – T – Hàn  cho dải tần số âm mối quan hệ giữa định lý và nguyên tố sai số Heisenberg, ông đã chứng minh thành công việc mở rộng định lý lấy mẫu tín hiệu, bài báo cáo cũng được in trong kỷ yếu của hội nghị.

Khoa học đang phát triển từng ngày, mỗi công trình khoa học được ứng dụng hôm nay sẽ trở thành nền tảng cho thế hệ sau kế thừa và phát triển. Dù đã nghỉ hưu nhưng niềm say mê nghiên cứu khoa học của PGS.TS Phạm Thượng Hàn vẫn chưa dừng nghỉ. Tuy ông đang đi sâu nghiên cứu lĩnh vực mới là năng lượng sạch, nhưng với ông: phát hiện ra định lý Lấy mẫu tín hiệu được sử dụng trong nghiên cứu đo lường, đó vẫn là niềm vui và hạnh phúc lớn nhất trong cuộc đời làm khoa học.

Ngô Văn Hiển